Groeiend goud: een verrassend berglandschap
 Foto's op vier verschillende momenten uit de STM-film, gemaakt tijdens de depositie van goudatomen op een oppervlak. De zwarte lijnen in de foto linksboven zijn de korrelgrenzen die allesbepalend blijken te zijn voor de uiteindelijke structuur van het goudoppervlak. In het vierkantje op de foto rechtsboven stromen de goudatomen in meanderstructuren zoals die ook in gletsjers worden gezien. |
Een oppervlak is heel belangrijk: het is de plek waar chemische reacties plaatsvinden, en het bepaalt de eigenschappen van veel voorwerpen om ons heen. Hoe een oppervlak eruit ziet en hoe het reageert is daarom van groot belang in vakgebieden zoals de micro-elektronica, de katalyse en de coatingindustrie. Als je beter begrijpt wat de relatie is tussen de structuur van een oppervlak en de functionaliteit, zou je betere, slimmere oppervlakken kunnen maken met precies gekozen eigenschappen. Veel kennis in dit vakgebied bestaat uit modellen die verschijnselen kunnen beschrijven maar niet de oorzaak van die verschijnselen kunnen achterhalen. Kennis van processen op atomaire schaal is nodig om beter te begrijpen waarom een oppervlak is zoals het is.
Opdampproces
Tot nu toe was het wel mogelijk om STM-opnames te maken voor en na het opdampen van een dun laagje op een oppervlak. Het verschil tussen de twee foto's was de beschikbare informatie. Rost liet al eerder zien dat hij met zijn snelle video-STM superieure filmpjes kan maken van bewegingen op het oppervlak na het opdampproces. Nu kan hij dus ook filmen tijdens het opdampen. Daarmee is hij de eerste in de wereld die onderzoek kan doen naar het gedrag van atomen tijdens het groeiproces van dunne lagen.
Rost was al houder van het snelheidswereldrecord 'scannen met een STM'. Het tegelijkertijd scannen en opdampen is een nieuwe, unieke combinatie die leidt tot veel fundamentele kennis over dunne lagen en coatings.
Korrelgrenzen
De atoomfilmpjes van Rost hebben geleid tot verrassingen: het groeiproces van dunne lagen goud blijkt zich anders te gedragen dan voorheen werd gedacht. Zo neemt de ruwheid van het oppervlak toe, naarmate de laag dikker wordt. Voorheen werd gedacht dat de goudatomen zich uitsmeren over het oppervlak, maar dat blijkt niet het geval. De reden hiervoor ligt in de 'korrelgrenzen'. Het groeien van de laag begint op een paar kleine kernen op het oppervlak (nucleatie) en de grenzen tussen die kernen vormen natuurlijke barrières die niet snel worden opgevuld. Rost heeft daarbij het zogenoemde Zeno-effect op atomair niveau kunnen vastleggen. De Griekse filosoof Zeno van Elea is bekend vanwege de paradox waarbij de snelvoetige Archimedes nooit de schildpad kan inhalen, omdat de schildpad een voorsprong heeft gekregen. Bij de goudlaagjes gaat het net zo: laagjes goud die zich snel uitbreiden groeien steeds meer naar de rand van het onderliggende laagje, maar halen nooit de rand. Hoe dichter ze bij de rand komen, hoe trager ze de rand naderen.
Ruwheid neemt toe
Dit proces stopt geheel op de eerder genoemde korrelgrenzen. Het hoogteverschil tussen de toppen en de dalen wordt op dat moment steeds groter, en de valleien worden steiler en steiler. Hoe hoger de berg, hoe sneller die groeit. Dat betekent dat de ruwheid van het oppervlak toeneemt naarmate de dunne laag groeit. Die observatie en de rol van de korrelgrenzen daarin, zijn een revolutionair inzicht in het vakgebied. 'We denken bovendien dat deze ontdekking heel algemeen geldt voor het groeien van films die op deze manier ontstaan', aldus Rost.
(8 januari 2008/Eppo Bruins/SH)