Stichting FOM
27 september 2011
Abrupt ontsnappen aan platheid
Snelle overgang van 'pannenkoek' naar half bolletje
Persbericht van de Universiteit Twente
Op het eerste gezicht lijken miljarden loodatomen op mysterieuze wijze
te verdwijnen. Een laagje lood, aangebracht op nikkel, is van het ene
op het andere moment bijna niet meer te zien als de temperatuur stijgt.
In werkelijkheid vormen de atomen bij een kleine verstoring opeens een
compact half bolletje in plaats van een 'platte pannenkoek'.
Onderzoekers van de Stichting FOM en het MESA+ Instituut voor
Nanotechnologie (UT) laten dit opmerkelijke verschijnsel voor het eerst
zien en publiceren erover in Physical Review Letters.
Figuur 1. Overgang van plak naar bolletje
vergroten Figuur 1. Overgang van plak naar bolletje
Bij zeer geleidelijk verhogen van de temperatuur van de 'plak' lood,
vindt plotseling een overgang plaats naar een half bolletje. Op
www.utwente.nl is ook de video van dit proces te zien.
Figuur 2. Berekening hoogte halve bol
vergroten Figuur 2. Berekening hoogte halve bol
Bij de omzetting van de tweedimensionale plak naar het driedimensionale
halve bolletje is de hoogte van het bolletje te berekenen. Hierbij is
de plak benaderd als een cirkel.
Lood, aangebracht op nikkel, kan dankzij zijn bijzondere elektronische
eigenschappen platte 'pannenkoeken' vormen, bestaande uit miljarden
atomen in een kristalstructuur. Deze 'pannenkoeken' zijn
quantummechanisch gestabiliseerd en ze zijn slechts enkele tientallen
atoomlagen hoog: het is lood in vaste vorm. Bij het langzaam verhogen
van de temperatuur verandert er aanvankelijk nog niet veel. Totdat bij
een bepaalde temperatuur, rond de 520 Kelvin (247 graden Celsius) het
hele laagje lood plotseling lijkt te verdwijnen. Binnen enkele
milliseconden is de 'plak' lood veranderd in een half bolletje met een
straal - hoogte - van enkele micrometers. En dat alles bij een
temperatuur die ónder de smelttemperatuur van lood ligt. Ook het
bolletje is vast materiaal. De massa is dus niet verdwenen, maar heeft
een andere ruimtelijke vorm aangenomen.
Lage energie elektronenmicroscoop
De onderzoekers kunnen dit zien dankzij de techniek Low Energy Electron
Microscopy. Van deze instrumenten is slechts een beperkt aantal in de
wereld voorhanden, waarvan sinds kort twee in Nederland. Het is een
microscoop waarin elektronen met lage energie op het oppervlak worden
geschoten. Juist oppervlakteverschijnselen en gebeurtenissen in dunne
films zijn daardoor nauwkeurig waar te nemen.
Huidige kennis niet toereikend
De abrupte omzetting van plat naar bolvormig is te verklaren door te
kijken naar de energetisch meest gunstige vorm: een half bolletje is
dan de meest effectieve benutting van oppervlak, een pannenkoek is niet
erg stabiel. Maar om de snelheid, waarmee de overgang plaats vindt, te
verklaren, schiet de huidige kennis tekort. Dit ondanks het feit dat er
dankzij experimentele technieken als Scanning Tunneling Microscopy
(STM), in combinatie met nieuw ontwikkelde theorie, recent enorm veel
bekend is geworden over atomaire processen tot op het niveau van een
enkel atoom.
Groepsproces
De nu ontdekte supersnelle overgang van twee naar drie dimensies is
echter gebaseerd op een delicaat spel tussen meerdere atomen, een soort
groepsproces. Om de zeer snelle overgang van plat naar bolvormig in
meer detail te kunnen verklaren is meer fundamentele theoretische
kennis op meso-niveau nodig, bevelen de UT-onderzoekers aan in hun
publicatie. LEEM-microscopie, waarmee direct nieuwe verschijnselen op
meso schaal waargenomen kunnen worden, kan hiervoor cruciale informatie
leveren. De resultaten zijn van belang voor het verdiepen van het
inzicht in de stabiliteit van nanostructuren.
Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Physics of Interfaces and
Nanomaterials van prof. Harold Zandvliet en gefinancierd door de
Stichting FOM. De groep maakt deel uit van het MESA+ Instituut voor
Nanotechnologie van de UT. De gebruikte LEEM-microscoop is aangeschaft
met middelen van de Technologiestichting STW.
Het artikel 'Anomalous decay of electronically stabilized lead mesas on
Ni(111)' van Tjeerd Bollmann, Raoul van Gastel, Harold Zandvliet en
Bene Poelsema, is op 23 september online verschenen in Physical Review
Letters. In september zal Tjeerd Bollmann op het proefschrift 'Escape
from flatland' promoveren bij de hoogleraren Bene Poelsema (UT) en
Joost Frenken (LEI).