Kristallen die tijdens hun groei geen mechanische stress ervaren, hebben een beduidend hogere kwaliteit. Laat ze zweven, is het idee achter het project ‘Perfecting metal crystals’, geleid door de Universiteit Twente.
De onderzoekers willen kristallen ‘zwevend’ laten groeien. Het gesmolten metaal waaruit de zeer zuivere kristallen straks worden gehaald, zweeft in een vacuüm dankzij een elektromagnetisch veld. Dankzij deze elektromagnetische levitatie voelt het materiaal geen druk van wanden. Defecten in het kristal worden zo tot een minimum beperkt, verwachten de onderzoekers van de UT en de Universiteit Leiden, die hiervoor nu het project ‘Perfecting metal crystals’ gehonoreerd zien door de Technologiestichting STW.
Kristallen met superieure eigenschappen vinden bijvoorbeeld hun weg naar de halfgeleiderindustrie of naar toepassing in deeltjesversnellers. De onderneming Surface Preparation Laboratory (SPL) van oud-UT’er Raoul van Gastel is wereldmarktleider op het gebied van kristaloppervlakken van de hoogste kwaliteit. De onderzoekers gaan nauw samenwerken met deze onderneming.
Geen verontreiniging
De gebruikelijke techniek voor kristalgroei is: het materiaal wordt verhit in een kroes, tot het vloeibaar is. Dan wordt een iets kouder staafje, met een kristalkiem, in de vloeistof gedompeld en groeit daar het metaal in vaste vorm, in kristallen. Door de wanden van de kroes heeft het materiaal echter wel stress ervaren, en het materiaal van de kroes laat ook zijn sporen na. Zo kan het zijn dat er verontreiniging met koolstof optreedt, aldus onderzoeker Arie van Houselt van de UT-groep Physics of Interfaces and Nanomaterials (MESA+ Instituut voor Nanotechnologie). De stap naar ‘zwevend groeien’ is veelbelovend maar zeker niet vanzelfsprekend: het is de kunst om de vloeistof zwevend te houden. In de vloeistof groeit dan de kiem voor het nieuwe kristal. Het wordt in z’n geheel uit het vacuümsysteem gehaald.
Zwevende druppel door elektrostatische levitatie. De ultraviolet bron zorgt ervoor dat het metaal wordt geïoniseerd. Dankzij de elektrische lading kan het gaan zweven onder invloed van een elektrisch veld. De laser smelt het metaal en via de positiesensor wordt de zwevende druppel op zijn plaats gehouden. Voor de beoogde kristalgroottes in het nieuwe project volstaat elektrostatische levitatie waarschijnlijk niet, de keus valt dan op de elektromagnetische variant.
Karakteriseren
Zonder contact met een wand, onder ultra hoog vacuüm en zeer schoon: levert het inderdaad kristallen op met superieure eigenschappen? De Twentse groep gaat de nieuwe kristallen karakteriseren met een hele range aan technieken zoals Low Energy elektronenmicroscopie (LEEM) en atoomkracht microscopie (AFM). De collega’s in Leiden kijken meer naar de chemische eigenschappen.
Voor het project ‘Perfecting Metal Crystals’ heeft Technologiestichting STW een half miljoen euro toegekend vanuit het ‘Open Technologie Programma’, voor een periode van vier jaar. Twee promovendi kunnen aan de slag, in zeer nauwe samenwerking met het bedrijf SPL.
