Schotels en antennes, maar dan honderd maal kleiner dan de dikte van een haar

Het ruikt hier niet naar smeerolie. Er ligt geen slijpsel en er ratelen geen apparaten. De werkplaats van het FOM-instituut AMOLF in Amsterdam is schoon. Heel schoon. Krachtige luchtfilterinstallaties verwijderen in de drie clean rooms bijna alle stofdeeltjes uit de lucht. Een permanente staat van lichte overdruk voorkomt dat ‘vieze’ lucht naar binnen stroomt. Wie hier naar binnen gaat, moet eerst slofjes over zijn schoenen trekken, een stofwerende jas over zijn kleren en een mutsje over zijn haar.

Dat is niet zomaar. Als een stofje neerdwarrelt op een ringetje, kanaaltje of ander minuscuul structuurtje dat hier gemaakt wordt, “dan is het met zo’n structuur gedaan”, zegt Hans Zeijlemaker.

Zeijlemaker is de baas van dit Nanocenter. En om te illustreren hoe klein de structuren uit zijn ‘werkplaats’ zijn, toont hij een opname van een möbiusring. In het groot maak je die zo: scheur een reep van deze krant. Draai er een slag in en plak de uiteinden aan elkaar. En nu het verschil: de möbiusring van Zeijlemaker is zó klein dat er drie bovenop elkaar passen in de ‘dikte’ van het dunne krantenpapier.

Zoiets vergt ultramoderne apparaten. Het Nanocenter kocht ze voor gemiddeld een miljoen euro per stuk bij specialistische hightechbedrijven – vaak bedrijven die uit universiteiten zijn voortgekomen. Daarna zijn de meeste van deze apparaten nog een beetje aangepast aan de wensen van onderzoekers, “want die willen altijd dingen maken op de grens van wat kan”, zegt cleanroomman Gijs Vollenbroek. “En het liefst wat net níét kan.”

Behalve specialistisch is het Nanocenter kleinschalig, veel kleinschaliger dan doorsnee laboratoria en bedrijven voor nanofabricage – denk aan de chipsindustrie. Maar de basisprincipes zijn hetzelfde.

Stap 1 vindt plaats in een ‘keukentje’ waar sterke afzuigkappen boven twee werkbanken elk opstijgend spoortje damp, gas en stof opslorpen. Hier, zegt Vollenbroek, terwijl hij naar een pottenbakkersschijf wijst, leg je een ondergrondje (meestal 2,5 bij 2,5 centimeter) neer met een druppeltje ‘photoresist’ erop. Als de schijf vliegensvlug gaat draaien, spreidt het druppeltje zich gelijkmatig over die ondergrond uit. Hightech snufjes zorgen ervoor dat het deklaagje exact de gewenste dikte krijgt – dus: enorm dun.

Het ‘beklede’ ondergrondje gaat in een doosje – alles tegen het stof – mee naar de volgende ruimte. De apparaten daar lijken op grijze kluizen, maar in hun hart gebeuren onvoorstelbare zaken. Ultradunne licht- en elektronenbundels schrijven in de dunne laagjes photoresist met veel geduld de meest ingenieuze patronen – vooraf steeds in het apparaat ingeprogrammeerd.

De allerfijnste driedimensionale structuren, zoals het möbiusringetje, maak je met een bundel langgolvig licht, vertelt Zeijlemaker. En ja, dat klinkt inderdaad vreemd, beaamt hij, omdat lange golven juist grofmazig zijn. “De truc is dat in het brandpunt van de lichtbundel twee lange golven samen optellen tot één korte golf. Die korte golf draagt tweemaal zoveel energie en dat is precies genoeg om de zachte photoresist alleen dáár te laten uitharden tot hard plastic.”

Als je een laagje zacht photoresist dan punt voor punt volgens een voorgeprogrammeerd patroon door het brandpunt beweegt, kun je er zo een minuscule plastic möbiusring in kerven. Een schotelantennetje. Of een letter. Stap 3 – het omringende zachte photoresist weer wegspoelen in het keukentje – legt die minuscule structuur bloot.

Maar daarmee is die nog niet af. In een volgende ruimte wachten Nanoontje en de veelzijdige Kameleon. Deze twee apparaten brengen een superdun laagje metaal aan op de structuren. Soms is dat een coating, maar veel vaker dient het in de photoresist gekerfde patroon alleen maar als mal. En zoals klokkengieters vroeger brons goten in mallen van was en leem, zo vullen Nanoontje en Kameleon nu de minuscule mallen met goud, zilver of met andere metalen en kunststoffen.

In het binnenste van Nanoontje en Kameleon verdampt daartoe wat goud of een andere materiaal dat vooraf, met de mal erboven, al was klaargezet. Omdat er ook een ultrahoog vacuüm heerst, slaat die damp ultrazuiver en heel gelijkmatig laagje voor laagje neer in de mal of op de structuur. Weer: net zo lang tot de gewenste dikte is bereikt. En dat gaat niet met een precisie van millimeters, zoals bij de allerbeste klokken, maar duizendmaal nauwkeuriger. “Een schaal waarbij je afzonderlijke atomen kunt tellen”, zegt Dimitry Lamers die in deze ruimte de scepter zwaait. Soms geeft dat onverwachte problemen: goud bijvoorbeeld vormt op deze schaal spontaan kristalletjes die akelig in de weg kunnen zitten. Daarom proberen Lamers en collega Johan Derks de apparaten telkens te verfijnen. En als het goed is staan fysici dan, als de mal in het keukentje verwijderd is, inderdaad met hun ideale structuur in handen.

Om die structuur verder te onderzoeken staan in een afzonderlijke ruimte geavanceerde elektronenmicroscopen en een atomaire krachtsmicroscoop. Sloffen en jas zijn hier niet nodig. Bespijkerbroekte onderzoekers turen naar de miljoen maal uitvergrote opname van hun vormpjes. Ze komen uit Amsterdam, Stanford en Caltech in Californië (VS). En ze komen hier, zegt Zeijlemaker, omdat het Nanocenter supergespecialiseerd is. “Wat je elders ook kan doen, dát doen wij juist niet. Wij zijn klein, maar heel goed in de technieken die onze onderzoekers nodig hebben.”

Margriet van der Heijden

    • Margriet van der Heijden