Onderzoeksproject P6/42 (Onderzoeksactie P6)
De studie van clusters en nanodraden is een heel belangrijk deelgebied van het onderzoek op het vlak van nanowetenschap, waar de controle op nanometerschaal van materiaalstructuren gerealiseerd wordt voor tenminste twee dimensies. Nanowetenschap vereist het begrijpen van de fysische en chemische eigenschappen op atomair en moleculair niveau. Nanotechnologie biedt de mogelijkheid om materie en energie nauwkeurig te manipuleren op moleculaire lengteschalen. Vertrekkend van de unieke elektrische, magnetische en optische eigenschappen van nanomaterialen, zal de nanotechnologie een revolutie veroorzaken in de bestaande architecturen van computers of optische schakelelementen en leiden tot fundamenteel nieuwe toepassingen op het vlak van onder andere geneeskunde en katalyse. Juist zoals antibiotica, transistoren en plastic materialen bijna elk aspect van onze samenleving in de 20ste eeuw beïnvloed hebben, zal nanotechnologie een doorslaggevende rol spelen in de 21ste eeuw.
De centrale doelstelling is het ontwerpen en controleren van de structurele, optische, magnetische, elektrische en reactieve eigenschappen via “nano-engineering” van de afmetingen, vorm, structuur en samenstelling van clusters en nanodraden. Door het opsluiten van ladingen en spins zal een coherente controle van de kwantummechanische toestanden van de nanosystemen gerealiseerd worden, teneinde de gewenste fysische eigenschappen te bekomen voor de verschillende toepassingen.
De belangrijkste vragen die we willen beantwoorden, zijn:
• Wat is the invloed van afmetingen en samenstelling op de structuur en stabiliteit?
• Hoe kunnen de fundamentele aspecten van magnetisme ontrafeld worden (in het bijzonder ferromagnetisme en superparamagnetisme) door het bestuderen van heel kleine magneetjes?
• Wat is het verband tussen structuur (inclusief de geometrie van de opsluiting) en de functionele eigenschappen (in het bijzonder optica, magnetisme, elektrisch transport inclusief supergeleiding)?
• Hoe kunnen hybride systemen, waar clusters en draden met verschillende eigenschappen gecombineerd worden op nanometerschaal, gebruikt worden om (i) deze eigenschappen te begrijpen door hun onderlinge confrontatie en (ii) extra functionaliteiten creëren (bijvoorbeeld magnetisch en halfgeleidend gedrag, supergeleiding en magnetisme)?
• Tot op welke hoogte zal de chemische/fysische omgeving van een cluster of nanodraad zijn eigenschappen wijzigen?
De meeste aandacht zal uitgaan naar clusters en nanodraden uit metaal (bijvoorbeeld magnetisch en supergeleidend of metalen met verschillende chemische eigenschappen), halfgeleider, koolstof en combinaties van deze materialen (de zogenaamde hybride systemen). De focus zal gericht worden op de “bottom-up” aanpak zoals laservaporisatie, ionenimplantatie, elektrochemische depositie en depositie via verdamping (zowel fysische verdamping, in het bijzonder moleculaire-bundel-eptaxie, als met behulp van chemisch reactieve gassen) en zelfassemblage gestuurd door chemische interacties om nanostructuren te vervaardigen, alhoewel de “top-down” aanpak (elektronenbundel-lithografie) ook nog zal aangewend worden.
Structurele, chemische en elektronische (inclusief optisch, magnetisch en transport) karakterisering op verschillende lengteschalen (van nanometerschaal tot op atomaire schaal) zijn essentiële onderdelen van de beoogde studie. We zullen gebruik maken van elektronenmicroscopie met hoge resolutie, nucleaire technieken met atomaire probes, microscopie met verschillende types van lokale sondes, veld-ionenmicroscopie, en ook van lokale chemische sondes, magnetometrie met behulp van een SQUID-detector, laserspectroscopie, X-stralenreflectometrie, …
Computationele studies vormen een belangrijk onderdeel met het oog op enerzijds de interpretatie van de experimentele waarnemingen en anderzijds het leveren van de nodige terugkoppeling voor een betere design en controle van de fysische eigenschappen. Verschillende modeleringstechnieken zijn beschikbaar binnen het gevormde consortium, gaande van Monte Carlo en moleculaire dynamica simulaties, technieken op basis van eindige elementen en eindige differentie tot “ab initio” benaderingen met verschillende niveaus van complexiteit. Zowel genetische en andere algoritmen op basis van globale optimalisatie als multischaal-benaderingen zijn technieken die eveneens zullen aangewend worden.
Het is duidelijk dat één enkel laboratorium niet in staat is om het voorgestelde programma uit te voeren en een geïntegreerde inspanning is noodzakelijk. In het voorgaande IUAP V programma over “Kwantum-schaaleffecten in nanogestructureerde materialen” werd de controle van de materiaalstructuur op nanometerschaal gerealiseerd voor tenminste één dimensie. In het kader van het nieuwe netwerk gaan we een fundamentele stap verder en beogen we deze controle te realiseren voor tenminste twee en uiteindelijk drie dimensies.
