Schieten met positronen

Een unicum, want tot nu toe was de vorm alleen bepaald aan de hand van kwantummechanische berekeningen.

Nanokristallen, de superkleine halfgeleiders van enkele nanometers die zich niets aantrekken van de wetten in de reguliere mechanica maar de regels van de kwantummechanica volgen, zijn sterk in opkomst. Ze zijn veelbelovend voor toekomstig gebruik in onder meer ledjes, kwantumcomputers en zonnepanelen. Fysicus Stephan Eijt richt zich met name op die laatste toepassing. Samen met collega’s van de Universiteit Utrecht onderzoekt hij hoe de deeltjes zich optisch gedragen. De structuur en samenstelling van de oppervlaktelaag en de grootte van het deeltje bepalen welke golflengtes de kristallen uit het zonlicht absorberen.

Lange tijd dacht men dat cadmiumseleen nanokristallen altijd dezelfde zeshoekige vorm aanhielden, die karakteristiek is voor grotere stukken van het materiaal. Maar collega’s van Eijt uit Californië kwamen enkele jaren geleden aan de hand van kwantummechanische berekeningen tot de conclusie dat de oppervlaktestructuur wel degelijk anders is. Het cadmium wordt naar binnen getrokken terwijl het seleen naar buiten wordt geduwd. Eijt heeft dat nu experimenteel bevestigd. Hij schrijft hierover in de januari-uitgave van Nature Materials.

De fysicus bepaalde in zijn meting de verdeling van cadmium- en seleenatomen in de buitenste laag van het kristal. De elektronen van deze twee elementen draaien met verschillende snelheden om de kernen heen. Door de atomen te beschieten met positronen – de antideeltjes van de elektronen . zijn de snelheden te meten. “Als positronen en elektronen tegen elkaar botsen lossen ze in elkaar op”, legt Eijt uit. “De massa wordt omgezet in energie, in lijn met Einsteins formule E=mc2. Die energie, in de vorm van twee gammastralen, detecteren we. De hoek tussen de twee stralen zegt iets over de snelheid van het oorspronkelijke elektron en dus over het element. Op die manier reconstrueren we het oppervlak van het nanokristal.”
Kernreactor

Eijt en zijn collega’s Peter Mijnarends en Henk Schut zijn de enigen in Nederland die positronen gebruiken om structuren van nanokristallen te onderzoeken. Ze hebben het voordeel dat ze voor het verkrijgen van positronen kunnen leunen op de kernreactor. De onderzoekers vangen de gammastraling op die vrijkomt na nucleaire reacties met wolfraam folies. Wanneer gammastraling in de buurt komt van een zwaar element gebeurt het omgekeerde als net beschreven. Er treedt ‘paarconversie’ op: de energiestralen vallen uiteen in elektronen en de felbegeerde positronen. Eijt: “Er zijn op dit moment slechts twee onderzoeksreactoren ter wereld waar zo’n intense positronenbundel beschikbaar is. De radiation, radionuclides and reactors-reactor (R3) van het Reactorinstituut Delft (RID) is er één van. De andere staat in Múnchen.”

Afgezien van het feit dat het een fundamentele doorbraak is, kan het werk van Eijt een impuls geven aan de vervaardiging van goedkope zonnepanelen. Deze duurzame energie-opwekkers functioneren na verloop van tijd minder goed doordat de nanokristallen oxideren. Met Eijts techniek om dunne lagen te onderzoeken kan in de toekomst precies worden nagegaan waar deze problemen zich voordoen. Dat is vooral handig omdat zonnepanelen in de toekomst uit steeds meer lagen zullen bestaan, met nanokristallen van verschillende grootte om zoveel mogelijk golflengtes te absorberen. Zo’n complexe samenstelling vergt extra precisie om goed te werken.

Zonnepanelen van cadmiumseleen zullen overigens nooit op de markt komen, omdat het zware metaal cadmium slecht voor het milieu is. Eijt heeft met deze stof gewerkt omdat het relatief makkelijk is er nanokristallen van te maken van verschillende groottes. Goed materiaal om mee te experimenteren dus. Silicium wordt nu veel gebruikt, maar is relatief duur. De meest veelbelovende zonnepanelen zullen uiteindelijk van onder andere titaniumdioxide nanodeeltjes gemaakt worden, verwacht de fysicus. “Deze goedkope stof zit ook in tandpasta en is absoluut niet schadelijk.”

Het werk van Stephan Eijt kan een impuls geven aan de vervaardiging van goedkope zonnepanelen. (Foto: Sam Rentmeester/FMAX)

Nanokristallen, de superkleine halfgeleiders van enkele nanometers die zich niets aantrekken van de wetten in de reguliere mechanica maar de regels van de kwantummechanica volgen, zijn sterk in opkomst. Ze zijn veelbelovend voor toekomstig gebruik in onder meer ledjes, kwantumcomputers en zonnepanelen. Fysicus Stephan Eijt richt zich met name op die laatste toepassing. Samen met collega’s van de Universiteit Utrecht onderzoekt hij hoe de deeltjes zich optisch gedragen. De structuur en samenstelling van de oppervlaktelaag en de grootte van het deeltje bepalen welke golflengtes de kristallen uit het zonlicht absorberen.

Lange tijd dacht men dat cadmiumseleen nanokristallen altijd dezelfde zeshoekige vorm aanhielden, die karakteristiek is voor grotere stukken van het materiaal. Maar collega’s van Eijt uit Californië kwamen enkele jaren geleden aan de hand van kwantummechanische berekeningen tot de conclusie dat de oppervlaktestructuur wel degelijk anders is. Het cadmium wordt naar binnen getrokken terwijl het seleen naar buiten wordt geduwd. Eijt heeft dat nu experimenteel bevestigd. Hij schrijft hierover in de januari-uitgave van Nature Materials.

De fysicus bepaalde in zijn meting de verdeling van cadmium- en seleenatomen in de buitenste laag van het kristal. De elektronen van deze twee elementen draaien met verschillende snelheden om de kernen heen. Door de atomen te beschieten met positronen – de antideeltjes van de elektronen . zijn de snelheden te meten. “Als positronen en elektronen tegen elkaar botsen lossen ze in elkaar op”, legt Eijt uit. “De massa wordt omgezet in energie, in lijn met Einsteins formule E=mc2. Die energie, in de vorm van twee gammastralen, detecteren we. De hoek tussen de twee stralen zegt iets over de snelheid van het oorspronkelijke elektron en dus over het element. Op die manier reconstrueren we het oppervlak van het nanokristal.”
Kernreactor

Eijt en zijn collega’s Peter Mijnarends en Henk Schut zijn de enigen in Nederland die positronen gebruiken om structuren van nanokristallen te onderzoeken. Ze hebben het voordeel dat ze voor het verkrijgen van positronen kunnen leunen op de kernreactor. De onderzoekers vangen de gammastraling op die vrijkomt na nucleaire reacties met wolfraam folies. Wanneer gammastraling in de buurt komt van een zwaar element gebeurt het omgekeerde als net beschreven. Er treedt ‘paarconversie’ op: de energiestralen vallen uiteen in elektronen en de felbegeerde positronen. Eijt: “Er zijn op dit moment slechts twee onderzoeksreactoren ter wereld waar zo’n intense positronenbundel beschikbaar is. De radiation, radionuclides and reactors-reactor (R3) van het Reactorinstituut Delft (RID) is er één van. De andere staat in Múnchen.”

Afgezien van het feit dat het een fundamentele doorbraak is, kan het werk van Eijt een impuls geven aan de vervaardiging van goedkope zonnepanelen. Deze duurzame energie-opwekkers functioneren na verloop van tijd minder goed doordat de nanokristallen oxideren. Met Eijts techniek om dunne lagen te onderzoeken kan in de toekomst precies worden nagegaan waar deze problemen zich voordoen. Dat is vooral handig omdat zonnepanelen in de toekomst uit steeds meer lagen zullen bestaan, met nanokristallen van verschillende grootte om zoveel mogelijk golflengtes te absorberen. Zo’n complexe samenstelling vergt extra precisie om goed te werken.

Zonnepanelen van cadmiumseleen zullen overigens nooit op de markt komen, omdat het zware metaal cadmium slecht voor het milieu is. Eijt heeft met deze stof gewerkt omdat het relatief makkelijk is er nanokristallen van te maken van verschillende groottes. Goed materiaal om mee te experimenteren dus. Silicium wordt nu veel gebruikt, maar is relatief duur. De meest veelbelovende zonnepanelen zullen uiteindelijk van onder andere titaniumdioxide nanodeeltjes gemaakt worden, verwacht de fysicus. “Deze goedkope stof zit ook in tandpasta en is absoluut niet schadelijk.”

Het werk van Stephan Eijt kan een impuls geven aan de vervaardiging van goedkope zonnepanelen. (Foto: Sam Rentmeester/FMAX)