Gouden nanoketting; METAALDRAAD VAN EEN ATOOM DIK BLIJKT ZEER STABIEL

HET LOGISCHE eindpunt van de miniaturisatie van elektronische schakelingen zijn draadjes van niet meer dan een atoom dik. Onderzoekers van het Kamerlingh Onneslaboratorium zijn er in samenwerking met Spaanse collega's in geslaagd dergelijk nanodraadjes te maken van goud, soms tot zeven atomen lang.

Onafhankelijk van het Leidse resultaat maakte een groep fysici in Tokio met een ultravacuum-elektronenmicroscoop opnamen van goudketens. Beide teams publiceren hun resultaten deze week in Nature.

In het Leidse onderzoek, dat onder leiding staat van dr. Jan van Ruitenbeek, worden twee goudelektrodes die contact met elkaar maken op zeer beheerste wijze uit elkaar getrokken. Het goud bezit een zuiverheid van op zijn minst 99,99 procent. Voor het trekken wordt gebruik gemaakt van een piezo-elektrisch kristal, dat de eigenschap heeft van lengte te veranderen door er een elektrische spanning op te zetten. Alles vindt plaats in hoogvacuum en bij de temperatuur van vloeibaar helium, 4,2 graden boven het absolute nulpunt - dit om de complicerende trillingen van de individuele atomen te beperken.

Door tijdens het breken van het contact de stroomgeleiding (het omgekeerde van de elektrische weerstand) te meten als functie van de verplaatsing van de elektrodes, zagen de onderzoekers aanvankelijk bekende quantumeffecten. De geleiding, die op kleine schaal een veelvoud is van een basisportie neemt niet geleidelijk af maar in sprongen, corresponderend met een herschikking van de atomen van het contact. Uiteindelijk zitten de elektrodes met een goudatoom aan elkaar.

Het verrassend nieuwe van het nu gepubliceerde onderzoek is dat bij nog verder oprekken de geleiding als gevolg van een verbroken contact niet direct naar nul springt, maar nog een tijdje op een plateau van een eenheid blijft hangen. Pas bij een extra verplaatsing van zo'n 2 nanometer, overeenkomend met een lengte van zeven goudatomen, treedt een breuk op. Al snel rees het vermoeden dat zich tussen de goudelektrodes een draad had gevormd, maar in Leiden kon dit `kauwgomeffect' (in tegenstelling tot Japan) niet direct zichtbaar gemaakt worden.

DRAAD-HYPOTHESE

Om de draad-hypothese te toetsen deed het team van Van Ruitenbeek de proef duizenden keren over en mat daarbij telkens de lengte van het laatste plateau.

Uitgezet in een histogram waarin voor iedere lengte staat aangegeven hoe vaak deze optreedt, traden pieken aan het licht op regelmatige afstanden van elkaar die goed overeenkomt met de (licht opgerekte) interatomaire afstand in een goudrooster. Verder bleek het mogelijk een van de uiteinden van de keten zijwaarts te laten slingeren, zonder dat de keten brak, over een afstand ter grootte van de ketenlengte. Deze elasticiteit werd bepaald met een ultrastabiele, in Madrid ontworpen Scanning Tunneling Microscoop, waarbij een miniatuurpen een oppervlak aftast.

Samen vormen de experimentele resultaten een overtuigend bewijs voor het optreden van een draad van een goudatoom dik. Opvallend was verder dat de draden zeer stabiel zijn: ze blijven uren in tact. Ook kunnen ze een hoge stroom geleiden, tot waarden van 80 microampere. Dit maakt deze allerdunste stroomdraadjes geschikt voor onderzoek naar elektronische schakelingen op atomaire schaal.