‘Onbegrijpelijke’ geboorte superkristal begrepen

Twee jaar geleden publiceerde een onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit Utrecht in Science hoe zij een materiaal met unieke en zeer interessante elektronische eigenschappen hadden gemaakt. In dit ‘superkristal’ bewegen de elektronen bijna zo snel als lichtdeeltjes én is de stroom schakelbaar. Ideaal voor ultrasnelle elektronica. Wat de onderzoekers voor een groot raadsel stelde, was hoe dit ‘superkristal’ zijn bijzondere structuur krijgt. Dat hebben ze nu ontdekt en blijkt een heel ander mechanisme dan voor kristalvorming bekend. Dit is een belangrijke inzicht voor het onderzoek naar nieuwe materialen met bijzondere elektronische eigenschappen. De resultaten van het onderzoek zijn online gepubliceerd in Nature Materials van maandag 5 september.

Het ‘superkristal’ ontstaat doordat hele kleine nanokristallen samen een perfect geordend vlak van één laag vormen. In dit superrooster loopt de structuur van de atomen – A, B, A, B – precies zo door als in de nanokristallen zelf. “Maar hoe uit al die nanokristallen een zo netjes gevormd superrooster geboren kan worden, was voor ons onbegrijpelijk”, vertelt prof. Daniël Vanmaekelbergh van de Universiteit Utrecht. “Nu we inzicht hebben in hoe het rooster ontstaat, kunnen we veel gerichter onderzoeken hoe we de structuren kunnen maken die we graag willen hebben.”

Mysterieus
Voor het maken van de superstructuur worden de nanokristallen opgelost in een olieachige vloeistof die drijft op een laagje koelvloeistof. Terwijl de olie verdampt, blijken de nanokristallen op het wateroppervlak een keurige hexagonale structuur te vormen. Dan gebeurt er iets mysterieus, aldus Vanmaekelbergh: de nanokristallen draaien gezamenlijk en systematisch naar een pseudo-hexagonale structuur. “Alsof het schoonzwemmers zijn”, beschrijft hij.

Legoblokjes
Pas daarna ontstaat contact en ‘klikken’ de nanokristallen als legoblokjes aan elkaar vast om een vlak van één perfecte laag te vormen. Dit mechanisme is tot nu toe alleen waargenomen bij metalen, maar dat is een heel ander materiaal.