Met het blote oog kun je het niet lezen, maar het staat er echt: AMOLF. Geschreven in letters van een paar honderdduizendste millimeters groot. Onderzoekers van het Amsterdamse onderzoeksinstituut met deze naam printten de tekst met een atoomkrachtmicroscoop.
De lettertjes bestaan uit minuscule klontjes koper, vastgeplakt op een goudplaatje. Ze zijn geschreven door het koper elektrochemisch te printen. Met deze techniek is elke vorm in koper op het oppervlak te tekenen, vertelt Mark Aarts, promovendus bij AMOLF, die de letters schreef.
Elektrochemisch printen
Aarts gebruikt een elektrochemische reactie die je misschien kent van proefjes op de middelbare school. Je kunt het experiment zelf op grotere schaal uitvoeren met een glas gevuld met een helderblauwe oplossing van kopersulfaat en twee paperclips als elektroden.
Als je spanning zet op de twee paperclips, dan raakt de een positief geladen en de andere negatief. Positief geladen koperionen uit de kopersulfaatoplossing zullen dan neerslaan op de negatief geladen paperclip. Dat komt doordat de positief geladen koperionen een negatief geladen elektron uit de paperclip opnemen en dan de vaste stof koper vormen aan het oppervlak van de paperclip.
‘Wij proberen die elektrochemische reactie heel gericht te laten plaatsvinden met een tip (een smal naaldje – red.) van 50 nanometer groot’, zegt Aarts. Die tip en het oppervlak waarop ze willen printen, dompelen de onderzoekers onder in een kopersulfaatoplossing. Tussen het oppervlak en de tip creëren ze een spanning waardoor het koper neerslaat op het oppervlak. Zo ontstaat er alleen bij die smalle tip koper. Door de tip telkens een beetje te verplaatsen, schreef Aarts de letters.
Lage concentratie
‘We kwamen erachter dat het belangrijk is om naar lage concentraties koper te gaan als je op zo’n kleine schaal wilt printen’, zegt Aarts. ‘Het lijkt tegenintuïtief, maar met weinig koper in de oplossing blijkt het printen gemakkelijker te gaan.’
Alleen de koperionen die toevallig precies tussen de tip van de printer en het oppervlak terechtkomen, voelen het elektrostatische veld waardoor ze elektronen opnemen en vast komen te zitten op het oppervlak. Bij hogere concentraties wordt dit veld te snel afgeschermd door ionen, waardoor de reactie niet kan verlopen. ‘Daardoor kunnen we zo lokaal printen’, vertelt Aarts.
‘We weten nog niet zeker of het puur koper is dat op ons oppervlak zit’, zegt Aarts. ‘De structuren zijn zo klein dat we nog niet precies hebben gemeten of het koper is, of koper met zuurstof, oftewel koperoxide.’
Nano-zonnecellen
Deze controle over het printen van nanostructuren kan van pas komen bij het maken van nieuwe, efficiëntere zonnecellen. Door zonnecellen op deze kleine schaal een 3D-structuur te geven, kan niet alleen de bovenste laag, maar het gehele materiaal zonlicht verwerken. Zo kan meer zonlicht omgezet worden in elektriciteit.
Hiervoor kunnen verticale nanostructuren, zoals bijvoorbeeld draadjes, handig zijn. Die kun je maken door een laag van het materiaal te nemen en daar dunne, verticale structuren in te etsen. ‘Maar daarbij gooi je veel materiaal weg’, zegt Aarts, wat niet erg duurzaam zou zijn.
Het elektrochemische printen heeft het voordeel dat je geen restmateriaal weg hoeft te gooien. Verder is de benodigde apparatuur relatief simpel en werkt hij bij kamertemperatuur. Ook kun je er in principe mee 3D-printen, doordat je de tip zijwaarts, omhoog en omlaag kan bewegen.
‘We kunnen met deze techniek nu metalen printen’, zegt Aarts. ‘We werken eraan om in de toekomst ook halfgeleiders te printen en materialen die uit verschillende stoffen bestaan.’ Als de onderzoekers met die verschillende materialen hoge structuren kunnen printen, is het mogelijk om daadwerkelijk zonnecellen te maken.