Met microscoop schrijven op de nanoschaal

Onderzoekers van de 3D-Photovoltaics-groep van AMOLF is het gelukt om op nanoschaal elektrochemisch te printen met behulp van een atoomkrachtmicroscoop. Met deze techniek kunnen structuren voor een nieuwe generatie zonnecellen op chips worden getekend. De onderzoekers publiceren hun resultaten vandaag in het tijdschrift Nanoscale.

De koperclusters op het oppervlak van een goudplaatje vormen de letters AMOLF (zie afbeelding). Met het blote oog onzichtbaar, want de letters zijn maar een paar honderd nanometer groot. Maar met de microscoop waarmee de letters zijn geschreven is het beeld duidelijk te zien. Met deze atoomkrachtmicroscoop (AFM) heeft Mark Aarts, promovendus in de 3D-Photovoltaics groep, opgeloste koperionen zo gemanipuleerd dat ze letters vormen.

Aarts kan zo met koper elke vorm tekenen op een oppervlak. Dat komt van pas bij het maken van een nieuwe generatie – op de nanoschaal gefabriceerde – zonnecellen, die zonlicht invangen in verticale nanostructuurtjes: draden, kegels of misschien wel boomvormige elementen. Groepsleider Esther Alarcón legt uit: “In traditionele zonnecellen valt het licht op de bovenste horizontale laag, dieper in het materiaal wordt het steeds donkerder. In 3D-zonnecellen is niet alleen de toplaag actief, maar het volledige volume van je materiaal.” Een van de uitdagingen is het ontwikkelen van een nieuwe techniek om met elektrochemische processen nanodraden direct bottom-up te produceren, in plaats van ze uit een groter stuk materiaal te snijden. Dat is precies waar Aarts mee bezig is.

Tekenen met koper
Aarts gebruikt een eenvoudige elektrochemische reactie die je op de keukentafel kunt uitvoeren: met een helderblauwe oplossing van kopersulfaat in een glas en twee paperclips als elektroden. Wanneer je spanning op de paperclips zet slaat vast koper op een ervan neer.

Hetzelfde gebeurt op nanoschaal in de AFM. Daarin zit een heel kleine naald van platina, 50 nanometer in doorsnee, die over een oppervlak beweegt zoals de naald van een platenspeler over de grammofoonplaat. Voor dit experiment fungeert deze tip als de ene paperclip, en een plaatje goud (of de chip) waarop de structuur wordt getekend als de andere. Het geheel hangt in een oplossing van kopersulfaat. Zet je spanning op de elektroden dan slaat wat koper neer precies waar de tip zich bevindt op het goudoppervlak. Beweeg de tip, en er slaat iets verderop koper neer. Zo teken je met behulp van elektrochemie een patroontje op een chip met AFM.

Dubbellaag
Al snel bleek dat het elektrochemische proces op nanoschaal niet helemaal hetzelfde verloopt als op keukentafelschaal. Zo zag Aarts dat er tegen de verwachting in meer koper op het oppervlak kwam naarmate de concentratie van de kopersulfaatoplossing lager was. Bij hoge concentraties lukte het schrijven zelfs helemaal niet. Wat goed werkte was het zogenaamde tappen ofwel aantikken van het oppervlak met de AFM-tip. Zonder dit aantikken werd zelfs geen koper gevormd. Een fundamenteel proces ligt hieraan ten grondslag, legt Aarts uit. “Om een geladen elektrode heen vormt zich altijd een laag met tegengestelde lading. Deze zogenaamde dubbellaag vormt zich ook rond onze AFM-tip en de goudelektrode en dat voorkomt dat de reactie van koper plaatsvindt. Bijzonder, want op keukentafelschaal faciliteert de dubbellaag juist de reactie. Door het aantikken van het oppervlak met de tip wordt de dubbellaag verbroken en kan de reactie lokaal plaatsvinden.”

Op weg naar zonnecellen
Aarts is tevreden dat de fabricage van 3D-patronen gelukt is met behulp van een AFM en een elektrochemische reactie. Het concentratie-effect en de noodzaak van het aantikken  zijn nog niet eerder waargenomen, zegt de onderzoeker. “De dubbellaag is een van de belangrijkste verschijnselen in de elektrochemie, maar is nog niet goed begrepen. Deze kennis kan van belang zijn voor de ontwikkeling van betere batterijen of elektrokatalyse.”

De structuren die Aarts tekent zijn nu zo’n 50 nanometer groot, omdat de AFM-tip die afmeting heeft. Kleiner zou beter zijn. “Wij denken dat we eenvoudig een kleinere tip kunnen gebruiken om nog kleinere structuren te schrijven.”

De droom van de onderzoekers is om daadwerkelijk zonnecellen te maken met deze techniek. Daarvoor moeten de structuren hoger worden. “Gecontroleerd de hoogte in is nog lastig,” zegt Aarts, dus daar wordt aan gewerkt. Uiteindelijk is het voor een zonnecel nodig om structuren opgebouwd uit meerdere materialen te maken, zoals gallium en arsenide, die samen de beste zonnecellen vormen. “Met elektrochemie kun je makkelijk tegelijk of na elkaar materialen aanbrengen. Binnen de groep onderzoeken wij ook deze processen en we hopen dit in de toekomst allemaal te combineren.”

Referentie
M. Aarts en E. Alarcon-Llado, Directed nanoscale metal deposition by the local perturbation of charge screening at the solid-liquid interface, Nanoscale (2019), DOI 10.1039/c9nr05574f