Met een nieuwe onderzoeksinstallatie aan de TU Delft kijken materiaalonderzoekers onder het oppervlak van materialen, of het nu metaallegeringen uit vliegtuigvleugels of halfgeleiderschakelingen zijn. Op donderdag 29 juni vindt de opening plaats.
De buitenkant van een materiaal kan veel verhullen. Op een diepte van enkele atomen onder een ogenschijnlijk intact oppervlak kunnen minuscule afwijkingen voorkomen die op den duur problemen veroorzaken. Bij bijvoorbeeld vliegtuigvleugels kunnen onzichtbare haarscheurtjes funest zijn. Materiaaldefecten kunnen ook voorkomen in halfgeleiderschakelingen, waarbij diverse lagen materiaal op elkaar worden aangebracht. Een kijkje door het materiaal naar het grensvlak tussen twee lagen kan veel ophelderen.

Een nieuwe meetinstallatie in Delft moet een uitzicht op de binnenkant van materialen opleveren. De installatie werkt met een bundel positronen -– de antimaterie van elektronen – die afkomstig is uit de experimentele reactor van het Interfacultair Reactor Instituut. Via een vacuümbuis met een lengte van dertig meter belandt de bundel in het nieuwe Positronen-Centrum, dat naast de reactor is gebouwd, en treft daar het te onderzoeken materiaal.

Driedimensionale kijk

Positronen kunnen enkele micrometers diep in materialen doordringen. In tegenstelling tot elektronen, die zich uit energetisch oogpunt bij voorkeur in metalen ophouden, verzamelen positronen zich gemakkelijk in holten, zoals scheurtjes en andere defecten. Als een positron met een elektron annihileert, komen er twee fotonen vrij met een energie van zo’n 511 miljoen elektronvolt. Deze gammastraling vertelt uiteindelijk wat voor structuurkenmerken het onderzochte materiaal heeft. Van de plekken waar zich de meeste positronen bevinden, zoals de haarscheurtjes, komen natuurlijk de meeste energierijke fotonen. Positronen hebben tevens als voordeel dat ze geen schade veroorzaken.
De Delftse materiaalkundigen zijn niet alleen geïnteresseerd in defecten, maar willen met de nieuwe installatie ook inzicht krijgen in de eigenschappen van bijvoorbeeld magnesiumoxidekristallen die zijn aangepast voor gebruik in optische schakelingen.

Werkelijk uniek in de nieuwe meetinstallatie is de combinatie van de positronenbundel met een scanning-elektronenmicroscoop, die een weergave van het oppervlak van een materiaal geeft. Het verkregen elektronenmicroscopische beeld van het materiaaloppervlak en het dieptebeeld dat de positronenbundel oplevert, verschaffen samen de onderzoeker uiteindelijk een driedimensionale weergave van het materiaal.

Erick Vermeulen