Fractals genieten vooral bekendheid in de wiskunde, maar wetenschappers van de Technische Universiteit Twente (UTwente) hebben nu een methode ontwikkeld om fractals in drie dimensies te bouwen op nanoschaal. Volgens de wetenschappers zou dit toepassingen hebben voor filters en katalysators.
Het is wetenschappers van de UTwente gelukt een stukje wiskunde naar de nanowereld te brengen. Ze ontwikkelden een methode om een driedimensionale structuur te maken die de eigenschappen van een fractal heeft. Dat wil zeggen dat zijn vorm zich eindeloos blijft herhalen naarmate er op de structuur wordt ingezoomd.
De fractal heeft een schijnbaar oneindig herhalende structuur.
UTwente/Journal of Micromechanics and MicroengineeringEts na ets
De wetenschappers maakten gebruik van een methode die de afgelopen acht jaar aan de UTwente is ontwikkeld en verfijnd. De fractals worden gemaakt door ze als het ware uit een vlakke laag silicium te etsen. Bij het etsen worden er siliciumatomen ‘weggegeten’ door een etsmiddel.
“We maken in dit onderzoek handig gebruik dat middel, dat in bepaalde richtingen veel sneller zijn werk doet dan in andere”, laat Henri Jansen weten. Hij is universitair docent van de afdeling Transducers Science and Technology van de UTwente, en naast Erwin Berenschot en Niels Tas de auteur van het onderzoeksartikel dat in het Journal of Micromechanics and Microengineering is verschenen.
Om te beginnen wordt er op een laag silicium waarin van te voren piramidevormige kuiltjes zijn geëtst een laag van siliciumnitride aangebracht. “Deze laag is een soort masker, die er voor zorgt dat het etsmiddel op de plekken waar het is aangebracht niet werkt”, zegt Jansen. Het masker wordt door een volgende behandeling eigenlijk meteen weer weggeëtst. Maar cruciaal is dat er in de puntjes van de piramides een restje achterblijft.
Door nu het oppervlak te laten oxideren in een hete oven ontstaat er een harde, niet-etsbare laag van siliciumoxide die over het silicium ligt. Dit gaat als het ware het ‘lichaam’ van de fractal vormen. De volgende stap is het weghalen van het masker, dat nog steeds in de punt van de piramide vast zit. Nadat dit is gebeurd bestaat de fractal in wording uit een harde siliciumoxidelaag met een klein gaatje in de punt.
Octaëders
De eerste echte etsstap kan nu plaatsvinden waarbij er silicium onder de siliciumoxidelaag wordt weggeëtst. Dat is overigens een merkwaardig proces, wat op de punt van de piramide ontstaat niet simpelweg een gat, maar een zogenoemde octaëdrische holte. “Dat heeft te maken met de specifieke kristalstructuur van het silicium”, zegt Jansen. “Sommige atomen in dit rooster zijn met twee buuratomen verbonden, andere hebben drie buren. Daardoor ontstaat er een voorkeursrichting voor het wegetsen van de atomen.”
Het octaëder dat nu onder piramide in de siliciumlaag zit kan nu weer behandeld worden met siliciumnitride, het masker dat in de eerste stap ook werd gebruikt. Na verwijdering blijven er opnieuw restjes achter in de puntjes van de structuur. Door het bovenstaande proces te herhalen groeien er telkens nieuwe octaëders op de hoekpunten van de structuur.
Uiteindelijk ontstaat er een reeks van octaëders die op de hoekpunten kleinere octaëders hebben, die op hun beurt nóg kleinere octaëders hebben. Oftewel, een fractal, die in theorie oneindig lang door kan gaan. “Onze fractal gaat niet oneindig door, want we hebben vier volledige etsrondes gedaan, waarna we zijn gestopt”, zegt Jansen. “Maar dat betekent niet dat we niet nog kleiner kunnen dan de kleinste octaëders die bij ons een afmeting hadden van ongeveer 300 nanometer.”
Deze fractal van siliciumoxide heeft op elke punt een gat.
UTwente/Journal of Micromechanics and MicroengineeringOm de fractals uiteindelijk uit het sicilium te bevrijden wordt in een allerlaatste stap al het silicium weggeëtst. Er blijft dan een holle fractal van siliciumoxide over die op alle hoekpuntjes nog gaatjes heeft van ongeveer 100 nanometer groot.
“Ja inderdaad, het zijn behoorlijk wat stappen”, geeft Jansen toe. “Het is bijna een hersenkraker, maar het moet natuurlijk niet té makkelijk zijn, anders had iemand anders het vast al gedaan, haha.”
Filteren en katalyseren
Hoewel fractals in de wiskunde vooral theoretische mogelijkheden bieden bij bijvoorbeeld de beschrijving van chaotische en natuurlijke systemen ziet Jansen direct verschillende praktische kansen voor zijn fractal. “Onze fractals bevatten heel veel gaatjes van min of meer dezelfde grootte. Na vier keer het bovenstaande proces te zijn doorlopen zijn dat zo’n 625 gaatjes van ongeveer dezelfde grootte. Die zouden bijvoorbeeld prima gebruikt kunnen worden voor het filteren van vloeistoffen.”
“Maar ook voor het katalyseren van chemische reacties kunnen deze fractals veel te bieden hebben”, vervolgt Jansen. “Stel nu dat we in de laatste stap geen siliciumnitride-laag leggen, maar een laag met katalytische eigenschappen. Bijvoorbeeld goud of zilver. Omdat deze laag door zijn bijzondere structuur zo’n grote oppervlakte heeft binnen een klein volume zou hij prima in staat zijn reacties te katalyseren. Ik denk bijvoorbeeld aan toepassingen in lab-on-a-chip, waarbij reacties in een klein volume bij een relatief lage temperatuur toch snel moeten verlopen.”