13/10/2016
Door Ad Spijkers
De dubbele spiraal van DNA heeft het leven op aarde mogelijk gemaakt. Een team van de Technische Universität München (TUM) heeft nu ook een dubbele spiraalstructuur in een anorganische halfgeleider ontdekt.
Het uit tin (Sn), jodium (I) en fosfor (P) bestaande materiaal is een halfgeleider met de eenvoudige samenstelling SnIP. Anders dan alle tot nu toe bekende anorganische halfgeleidermaterialen is het echter zeer flexibel. De soms centimeters lange vezels zijn willekeurig te buigen zonder te breken.
Deze eigenschap is het gevolg van de dubbele spiraal. SnIP is eenvoudig in grootte van grammen te produceren en is minder giftig in vergelijking met galliumarsenide (GaAs), dat vergelijkbare elektronische eigenschappen heeft.
Veelbelovende halfgeleider
De halfgeleidereigenschappen van SnIP beloven veel toepassingsmogelijkheden, vanaf energieomzetting in zonnecellen of thermo-elektrische elementen via fotokatalysatoren en sensoren tot opto-elektronische componenten. Door dotering met andere elementen zouden de elektronische eigenschappen van het nieuwe materiaal over een breed bereik zijn in te stellen.
Op grond van de ordening van de atomen in een dubbele spiraal kunnen tot een centimeter lange vezels gemakkelijk in dunne strengen worden opgedeeld. De tot nu toe dunste vezels verstaan uit slechts vijf dubbele spiraalstrengen en zijn maar een paar nanometer dik. Dat maakt ook toepassingen in de nano-elektronica denkbaar.
Vooral de combinatie van interessante halfgeleidereigenschappen en mechanische flexibiliteit biedt hoop op veel toepassingsmogelijkheden. In vergelijking met organische zonnecellen verwachten de onderzoekers van de anorganische materialen ook een duidelijk betere stabiliteit. Zo is SnIP stabiel tot zo'n 500°C.
Pas aan begin ontwikkeling
Van koolstof zijn structuren in 3D (diamant), 2D (grafeen) en 1D (nanobuisjes) bekend. Naast de 3D-halfgeleider silicium en 2D-fosforeen is met SnIP nu voor het eerste eerst een 1D-materiaal beschikbaar met minstens zulke interessante perspectieven als koolstof nanobuisjes. Net als kunststof nanobuisjes en op polymeren gebaseerde inkten kunnen de dubbele spiralen uit SnIP worden gesuspendeerd in oplosmiddelen zoals tolueen. Daarmee kunnen eenvoudig en goedkoop dunne lagen worden gemaakt.
De onderzoekers benadrukken dat ze pas aan het begin van een materiaalontwikkeling staan. Elke afzonderlijke stap in de verwerkingsketen moet nog worden ontwikkeld en vervolgens opgeschaald. Omdat de dubbele spiraalstrengen van SnIP rechtsdraaiend of linksdraaiend kunnen zijn, moeten materialen die nu de ene of de andere vorm hebben, bijzondere optische eigenschappen hebben. Dit maakt ze zeer interessant voor de opto-elektronica. Het is echter nog niet gelukt om een techniek voor het scheiden van beide vormen te vinden.
Theoretische berekeningen van de wetenschappers toonden aan, dat ook een hele serie andere elementen zulke anorganische dubbele spiralen zouden moet kunnen vormen. De wetenschappers werken daarom onder hoogspanningen aan geschikte productiemethoden om zulke materialen te vinden.