Dunne film produceert nieuwe chemie in ‘nanoreactor’

Natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen onder leiding van Beatriz Noheda, RUG-hoogleraar functionele nanomaterialen, hebben een nieuwe mangaanverbinding ontdekt die ontstaat door spanning in de kristalstructuur van terbium-mangaanoxide. De techniek waarmee zij dit nieuwe materiaal maakten kan de weg banen naar nieuwe schakelingen op nanometer schaal. Hun vondst is op 20 november 2014 gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

De onderzoekers lieten het kristal van terbium-mangaanoxide in een zeer dunne laag (van maximaal enkele tientallen atomen dik) groeien op een dikkere onderlaag van strontium-titaniumoxide. Deze ondergrond beïnvloedt de manier waarop de dunne laag groeit. Waar stukjes groeiend kristal elkaar tegenkomen, ontstaat een grensvlak, de zogeheten ‘domeinmuur’. In zo’n muur staat de kristalstructuur onder spanning.

Spanning

Vanwege die spanning probeerden materiaalkundigen tot enkele jaren geleden bij het maken van zeer dunne lagen het ontstaan van domeinmuren te voorkomen. ‘Ze werden gezien als een vervuiling’, zegt Noheda. Totdat duidelijk werd dat juist door de spanning in de kristalstructuur materiaal nieuwe eigenschappen kan krijgen. En naar nu blijkt, kan de domeinmuur een chemische reactor op nanoschaal worden.

Muurtjes

De Groningse onderzoekers hebben inmiddels veel ervaring in het controleren van het aantal domeinmuren dat ontstaat. De samenstelling van de onderlaag heeft daar bijvoorbeeld invloed op. En hoe dunner de kristallaag, hoe meer muurtjes er ontstaan. ‘Naast deze controle over het aantal muurtjes is een andere grote uitdaging om te analyseren wat er precies gebeurt in een muur. Want die is doorgaans maar één atoom dik’, vertelt Noheda.

Magnetisme

Een manier om het materiaal in de muur te analyseren is het vergelijken van monsters met een verschillende dichtheid in aantallen muurtjes. Zo zagen de onderzoekers dat het materiaal meer magnetisme vertoonde naarmate er meer muurtjes waren. ‘Directe waarneming van een magnetisch signaal op atomaire schaal is nog niet mogelijk, zeker niet in een isolator’, vertelt Noheda.

Zig-zaglijn

Een geavanceerde chemische analyse met atomaire resolutie toonde vervolgens aan dat in de muurtjes de samenstelling van het kristal veranderd was: een mangaanatoom nam er op specifieke locaties de plaats in van een groter terbiumatoom. In de kristalstructuur vormt het terbiumatoom een soort zig-zaglijn. In de domeinmuur komen twee tegengestelde ‘zig-zags’ elkaar tegen, waardoor een deel van de terbiumatomen zeer dicht op elkaar komt te zitten. ‘Dit levert een grote spanning op en het terbiumatoom verdwijnt uit het kristal. Er komt een kleiner mangaanatoom voor in de plaats’, legt Noheda uit. In tegenstelling tot het normale kristal is de muur door dit extra mangaan magnetisch.

Nieuwe scheikunde

Hoogleraar theoretische natuurkunde Maxim Mostovoy van de RUG modelleerde het magnetisme en zijn resultaten komen goed overeen met de experimentele uitkomsten: ‘Er ontstaat een verbinding tussen vijf mangaanatomen die nog niet eerder beschreven is. In de domeinmuur zien we dus nieuwe scheikunde ontstaan.’

Daarmee is de domeinmuur een soort chemische reactor op nanometerschaal, waarin nieuwe chemische verbindingen ontstaan. ‘En we vermoeden dat in alle kristallen met zo’n soort zig-zagstructuur op deze manier nieuwe verbindingen zullen ontstaan.’

Schakelbaar

Noheda hoopt in vervolgonderzoek muurtjes te maken die schakelbare eigenschappen hebben. Dan zouden er piepkleine schakelingen van slechts enkele atomen groot kunnen ontstaan. ‘Maar daarnaast hoop ik dat scheikundigen met deze nanoreactoren aan de slag gaan.’

ZIAM

Zowel Beatriz Noheda als Maxim Mostovoy zijn verbonden aan het Zernike Institute for Advanced Materials (ZIAM) van de Faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen van de RUG. Het ZIAM is een nationaal toponderzoeksinstituut.

Het onderzoek van Noheda is deels gefinancierd door NanoNextNl, een consortium van 130 partners waarin universiteiten, bedrijfsleven en overheid samenwerken op het terrein van micro- en nanotechnologie en door FOM, de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie.

Noot voor de redactie:

• Voor meer informatie: Prof. Beatriz Noheda, Solid State Materials for Electronics group, Zernike Institute for Advanced Materials (ZIAM), University of Groningen (RUG), Nederland
• Artificial chemical and magnetic structure at the domain walls of an epitaxial oxide - S. Farokhipoor, C. Magén, S. Venkatesan, J. Íñiguez, C.J.M. Daumont, D. Rubi, E. Snoeck, M. Mostovoy, C. de Graaf, A. Müller, M. Döblinger, C. Scheu and B. Noheda
• Het artikel wordt begeleid door een ‘News and Views’ bijdrage waarin de resultaten van het nieuwe onderzoek worden besproken.