Author:
Reading time: 5 minutes
Op het grensvlak tussen twee ‘doodgewone’ oxides gebeuren soms heel onverwachte dingen. De Twentse hoogleraar Hans Hilgenkamp ziet er muziek in.
Al een paar keer heeft Hans Hilgenkamp over natuurkunde verteld op de Zwarte Cross. Dan doet hij natuurlijk ook een leuk experiment. Een koperen strip laten smelten door er honderden ampères doorheen te jagen bijvoorbeeld. Of een supersterke magneet waarop iemand kan gaan staan zonder naar de grond te zakken. Het publiek vindt het geweldig en het programmaonderdeel keert ieder jaar terug.
Een hoogleraar die college geeft aan biergooiende høkers: die wil Bits&Chips ook weleens ontmoeten. De wens blijkt op een misverstand te berusten, want de Zwarte Cross is veel meer een familie-event dan de meeste niet-Achterhoekers zich realiseren, vertelt Hilgenkamp bij de koffieautomaat vlak voor het interview.
Gelukkig was er nog een uitstekende aanleiding om naar Twente af te reizen: Fom kondigde eind vorig jaar aan vijf nieuwe programma’s te honoreren voor onderzoek ‘waarop de Nederlandse natuurkunde internationaal uitblinkt en waarvan het wetenschappelijk en maatschappelijk belang duidelijk aanwezig is’. Hilgenkamp leidt het programma ‘Two-dimensional electron devices in complex oxides’, waaraan behalve zijn eigen Universiteit Twente ook de Universiteit van Amsterdam, de Radboud Universiteit, de TU Delft en de Universiteit Leiden deelnemen. Aan de laatste instelling heeft Hilgenkamp trouwens ook een deeltijdaanstelling.
Het onderzoek richt zich op een klasse verbindingen die hot zijn in de onderzoekswereld: complexe oxides, oftewel oxides waarin het zuurstofanion meer dan één tegenion heeft. Op grensvlakken van twee van zulke ‘doodgewone’ materialen doen elektronen soms onverwachte dingen, vergelijkbaar met het bijzondere gedrag van elektronen in grafeen. Zo gaat het grensvlak bijvoorbeeld spontaan geleiden, ook al zijn de individuele componenten isolatoren. Of er duikt ‘onverwacht’ magnetisme op, of ferro-elektriciteit, of supergeleiding.
Hilgenkamp en collega’s willen dit fenomeen verder helpen doorgronden, er nieuwe voorbeelden van maken en de technologische implicaties daarvan verkennen voor elektronische toepassingen variërend van nieuwe sensoren tot transistoren.
Eindeloos
De opmars van complexe oxides begon in 1987, toen onderzoekers van IBM Research in Zürich ontdekten dat een keramisch materiaal gebaseerd op koperoxide supergeleidend werd bij 35 kelvin. ‘Dat was een volslagen verrassing, want dit materiaal leek op geen enkele manier op de andere supergeleiders die toen bekend waren. Bovendien was het bij kamertemperatuur een isolator, terwijl alle supergeleiders gewoon geleiders waren’, vertelt Hilgenkamp, die zelf destijds als jonge student blij verrast werd door de ontdekking. ‘Het liet zien dat er nog enorme doorbraken in de natuurkunde kunnen zijn.’
Het duurde niet lang of er werden meer supergeleidende complexe cupraten gevonden. Sommige bleven zelfs supergeleidend boven 77 kelvin, de temperatuur waarbij stikstof vloeibaar wordt. Dat toonde aan dat er echt iets nieuws gaande was: volgens de standaardtheorie konden er geen supergeleiders bestaan boven de dertig kelvin. Het oxide van IBM was met 35 kelvin mogelijk nog een grensgeval, maar om te verklaren hoe de nieuwe materialen nog bij tientallen graden hoger konden supergeleiden, moest er een nieuw theoretisch kader komen.
Twente was een van de vele onderzoeksinstellingen die destijds op dit fenomeen doken, en Hilgenkamp draagt er nu het vaandel. Interfaces of Correlated Electron Systems (Ice) heet zijn groep, naar het collectieve gedrag dat elektronen op grensvlakken kunnen vertonen. Hilgenkamp: ‘In dit soort systemen kun je elektronen niet meer als individuele deeltjes zien, omdat ze een kwantuminteractie met elkaar aangaan die normaal gesproken geen rol van betekenis speelt.’ Supergeleiding is een voorbeeld van een gecorreleerd elektronensysteem: in een supergeleider vormen elektronen zogenaamde Cooper-paren, die zich samen als een soort superelektron moeiteloos door een kristalrooster bewegen.
Op het grensvlak van twee complexe oxides ontstaan soms ook zulke elektronenzeeën. Die zitten daar gevangen – vandaar de naam tweedimensionale elektronensystemen. Door nieuwe combinaties van complexe oxides te maken, hopen Hilgenkamp en collega’s nieuwe eigenschappen te ontlokken, of dat nu supergeleiding of iets anders is, en natuurlijk te verklaren waarom die eigenschappen komen bovendrijven.
Een betere plek dan Twente is er voor dit soort onderzoek in Nederland niet te vinden, want bij Hilgenkamp om de hoek zit de groep van Dave Blank en Guus Rijnders, die is gespecialiseerd in gepulste laserdepositie. Met deze techniek kunnen dunne lagen van een materiaal atoomlaag voor atoomlaag worden opgebouwd. Een nieuw materiaal met een extra atoomlaag of een andere atoomsoort is dus bij wijze van spreken zo gemaakt – de mogelijkheden zijn eindeloos.
Niche
Het gaat echter niet alleen om exploratief onderzoek, benadrukt Hilgenkamp. ‘We hebben ook al een idee over mogelijke toepassingen. Een van de meest interessante is om er transistoren mee te maken. Omdat in sommige systemen de elektronen zich veel sneller kunnen verplaatsen en de lengteschalen veel kleiner zijn dan in traditionele halfgeleiders, biedt dat interessante perspectieven.’
Om een en ander uit te leggen, begint de Twentse onderzoeker de structuur van een complex-oxidecombinatie uit te tekenen: lagen lantaanaluminiumoxide (LAO) boven op lagen strontiumtitaanoxide (STO). ‘Om redenen die we nog niet precies begrijpen – en dus willen onderzoeken – verzamelen er zich elektronen op het grensvlak tussen STO en LAO. Die gaan in een soort geleidingsband van STO zitten, waardoor ze redelijk makkelijk bewegen.’
‘Waar wij nu naar kijken, is die geleiding aan- en uitschakelen met een gate – net als in een reguliere transistor dus. We weten dat we minimaal vier lagen LAO nodig hebben, samen ongeveer twee nanometer dik. Als we daarop nu een zeer kleine gate maken, kunnen we met een elektrisch veld het mechanisme ontregelen dat ervoor zorgt dat er zich een tweedimensionale elektronenzee vormt. We kunnen dan dus schakelen tussen goed geleidende en een volkomen isolerende toestand.’
Het kan nog spannender, want bij lage temperatuur gaat het STO-LAO-grensvlak supergeleiden. ‘Ook dat kunnen we aan- en uitzetten. Als eersten zijn wij erin geslaagd een supergeleidende transistor te maken’, vertelt Hilgenkamp trots. ‘Dat werkt echter alleen dicht bij het absolute nulpunt, maar we zouden bijvoorbeeld kunnen proberen koperoxide erin te verwerken om het bij hogere temperatuur te doen. Of we zouden de ‘leidingen’ naar de gate kunnen uitvoeren als supergeleiders’, mijmert hij.
In gangbare elektronica kost het pompen van lading van en naar de gate veel energie. Als de stroomdraadjes supergeleidend zouden zijn, gaat er veel minder energie verloren als warmte. Ook als er minder lading nodig is om te schakelen, zou het veel schelen. Behalve het halen van sub-10-nanometerdimensies die buiten het bereik van CMos zouden kunnen liggen, bieden gecorreleerde elektronensystemen mogelijk dus nog meer voordelen.
‘Het zou niet voor het eerst zijn dat specialisten in metaaloxides de halfgeleiderindustrie redden’, grapt Hilgenkamp. ‘Dezelfde mensen die een alternatief gateoxide hebben ontwikkeld toen de laag siliciumoxide te dun werd, zitten nu op dit soort onderwerpen.’ Toch is de hoogleraar zich er terdege van bewust dat een gevestigde technologie zich meestal niet zo makkelijk opzij laat schuiven. ‘Natuurlijk haal je silicium niet zomaar in, maar in ieder geval hebben we hier ook met een planaire technologie te maken, net als CMos. In eerste instantie zie ik vooral mogelijkheden in de multifunctionaliteit van oxides, zoals de combinatie van schakelingen en sensoren. Dat biedt wellicht een niche waarin de technologie volwassen kan worden.’
