Interface Physics

 

Door het Oog van de Naald

Frenken

Rede uitgesproken bij de aanvaarding van het ambt van bijzonder hoogleraar in de Experimentele Natuurkunde vanwege de Stichting tot Bevordering van de Atoom- en Molecuulfysica aan de Rijksuniversiteit Leiden op vrijdag 6 oktober 1995

 

 

Mijnheer de rector magnificus,

 

Leden van het bestuur van de Stichting tot Bevordering van de Atoom- en Molecuulfysica, en leden van het curatorium van deze bijzondere leerstoel,

 

Zeer gewaardeerde toehoorders,

 

Kunt u zich voorstellen hoe het is om een oppervlakteatoom te zijn..? Ik wèl! Ik moet ook wel, als hoogleraar in de atoom- en molecuulfysica, zult u denken. Vandaag wil ik proberen u te laten delen in mijn inlevingsvermogen en u laten zien hoe eenvoudige atomen zich gedragen aan de buitenkant van simpele materialen. Ja: zien! Want ik zal u een blik laten werpen door het oog van de naald.

 

Ik bedoel hier de naald die wij gebruiken in de zogenaamde raster-tunnelmicroscoop. Wat dat voor microscoop is zal ik later uitleggen. Voor de fysici onder u: een raster-tunnelmicroscoop is een 'scanning tunneling microscope'. Dit wonderlijke instrument heeft in zijn korte bestaan het vakgebied van de oppervlaktefysica gerevolutioneerd. Ik wil dat hier met enkele voorbeelden uit eigen werk illustreren. Aan de hand van microscoopopnamen met atomaire precisie van de dynamische nanowereld van metaaloppervlakken zal ik niet alleen betogen dat de traditionele, statische oppervlaktefysica ten einde loopt, maar ook dat zelfs ons huidige onderzoek aan oppervlakken gezien moet worden als een overgangsfase naar een fascinerend, onontgonnen terrein van 'grensvlakken in actie'. Ik wil beginnen met een korte, eenzijdige schets van de geschiedenis van mijn vak.

 

Oppervlaktefysica wordt meestal gepresenteerd als een relatief jong onderzoeksgebied. Uiteraard heeft dit vak zijn eigen klassieke oudheid in de vorm van belangrijk verkennend werk van een klein aantal pioniers. Enkele voorbeelden: De eerste behandeling door J.W. Gibbs van de thermodynamica van grensvlakken dateert al van ruim een eeuw geleden. Reeds aan het begin van deze eeuw liet G. Wulff zien wat de relatie is tussen de oriëntatieafhankelijkheid van de vrije oppervlakteënergie en de voorkeursvorm van een brokje vast materiaal. De basis voor onze huidige atomistische beschrijving van kristalgroei werd al in de twintiger jaren gelegd door onder anderen I.N. Stranski en diens medewerkers. In die zelfde periode experimenteerde I. Langmuir al met gasadsorptie op vaste-stof oppervlakken. Meer dan veertig jaar geleden werd door Burton, Cabrera en Frank in een inmiddels legendarische publikatie een brug geslagen tussen de statistische mechanica van tweedimensionale modelsystemen en de stabiliteit van kristaloppervlakken. Zowel binnen het deelgebied van kristalgroei als dat van faseovergangen aan vaste-stof oppervlakken heeft dit werk een blijvende stempel gedrukt op ons vak.

 

De oppervlaktefysica is pas goed op gang gekomen rond het midden van de zestiger jaren. In 1965 verscheen het eerste nummer van het nog steeds uiterst populaire vaktijdschrift Surface Science. Hand in hand gingen de ontwikkeling van methoden om de buitenkant van metaal- en halfgeleider-preparaten schoon te maken en enige tijd schoon te houden en de introductie van tientallen nieuwe typen instrumenten voor het meten van een scala aan eigenschappen van de onnatuurlijk schone, buitenste atoomlagen van die preparaten. Ultrahoog vacuüm is de typische, kunstmatige omgeving waarin de oppervlakken worden bestudeerd. Een imposant staalvat, uitgerust met een batterij speciale pompen, is nodig om een recorddruk te halen die 1013 tot 1014 keer zo laag is als die in de ons omringende atmosfeer. In zo'n ultra-ijle omgeving wordt elk plekje van het oppervlak slechts enkele keren per etmaal bezocht door een gasmolecuul, en dan ook nog meestal door een volstrekt 'onschuldig' molecuul dat niet wil 'plakken' maar gewoon weer vertrekt. We onderzoeken zo het grensvlak tussen een vaste stof en ... niets, een volstrekt kunstmatige situatie, die in meer dan een opzicht eenzijdig genoemd kan worden. 

 

Het traditionele hoofdthema van de oppervlaktefysica is het verschil tussen de atomaire stapeling in het buitengebied van de vaste stof en de vertrouwde kristalstructuur diep in het inwendige van het materiaal. Vaak zijn de interatomaire afstanden aan het oppervlak enigszins anders dan de gebruikelijke afstand, soms gaan oppervlakteatomen nieuwe bindingen aan met elkaar en ontstaan er aan het oppervlak een prachtige, nieuwe architectuur. Naast de geometrische structuur van de oppervlakken worden ook de elektronische structuur interessant gevonden, de trillingen van de atomen en de adsorptieposities van met opzet op de oppervlakken aangebrachte, vreemde atomen en moleculen. Nu, na zo'n dertig jaar, zijn de onderweg bedachte meetmethodes volledig uitgerijpt. De geperfectioneerde instrumentatie kan bij diverse fabrikanten tegen relatief lage prijzen worden gekocht. Bovendien is het al sinds meerdere jaren zelfs zo dat, wanneer men een bepaalde oppervlaktestructuur met meerdere, concurrerende technieken bepaalt, de verschillende resultaten keurig met elkaar in overeenstemming zijn. Het zal u dan ook niet verbazen dat er inmiddels uitgebreide databestanden bestaan waarin honderden structuren van schone en adsorbaatoverdekte metaal- en halfgeleider-oppervlakken zijn getabellariseerd. Als de boekhouders komen om de precieze getallen te notuleren is het vakgebied rijp!

 

Het gebrek aan uitdaging in eenvoudige structuren en het simpele feit dat de voor de hand liggende structuren onderhand vrijwel allemaal goed bekend zijn, heeft geleid tot een ware wildgroei van onderzoek van steeds complexere structuren die uitgelokt worden door adsorbaten en allerlei binaire en zelfs ternaire adsorbaatcombinaties. De belangrijkste conclusie uit dit werk is, mijns inziens, dat er vrijwel geen algemene conclusies getrokken kunnen worden over die structuren. Ze kunnen nauwkeurig worden gemeten, en de hedendaagse, met supercomputers uitgevoerde ab initio berekeningen bevestigen hun stabiliteit. Maar bijna elke substraat-adsorbaat combinatie vertoont weer een eigen serie unieke structuren. Wat blijft is classificatie: een meestal zinloze vorm van oppervlaktezoölogie. Dit deel van ons vakgebied is dus domweg overrijp.

 

Ik beschouw de afgelopen dertig jaar onderzoek van de geometrische structuur en de ermee samenhangende elektronische en vibrationele eigenschappen van oppervlakken als de uitermate snel doorlopen middeleeuwen van de oppervlaktefysica.

 

Vrijwel alle experimentele methoden die ontwikkeld zijn voor de bestudering van materiaaloppervlakken meten globale eigenschappen, gemiddeld over een relatief groot gebied met een diameter typisch tussen enkele micrometers en een centimeter. Toepassing van deze methoden is dus zinvol als de te bestuderen eigenschappen op het oppervlak overal hetzelfde zijn. Onze methoden pasten daarom goed bij het karikaturale beeld dat we nog niet zo lang geleden hadden van oppervlakken, namelijk dat van een statisch zich vrijwel oneindig herhalend, ideaal dambordpatroon: vlak en saai als een hollands polderlandschap. In de afgelopen jaren is dit beeld drastisch gewijzigd. Verantwoordelijk voor onze huidige, meer realistische kijk op oppervlakken is één uitvinding: de rastertunnelmicroscoop. Ik zal deze microscoop met zijn Engelse afkorting aanduiden: STM. Dit instrument stelt ons in staat om een minuscuul gebiedje van het oppervlak van een elektrisch geleidend preparaat zodanig uit te vergroten dat individuele atomen zichtbaar worden. Het zal u niet verbazen dat de STM met zijn ultieme resolutie aan de basis staat van een ware renaissance binnen de oppervlaktefysica. Maar ook in andere gebieden van de fysica, de fysische chemie en zelfs binnen de biologie hebben de STM en de andere hiervan afgeleide microscopen in korte tijd een belangrijke positie veroverd. De uitvinders van de STM, Gert Binnig en Heini Rohrer, van het IBM onderzoekslaboratorium in Rüschlikon, werden daarom al vrij kort na hun eerste publikaties over de STM beloond met onder andere de Nobelprijs voor de natuurkunde. Voordat ik verder inga op de rol van de STM in de oppervlaktefysica, wil ik in enkele woorden uitleggen hoe deze microscoop werkt.

 

Het principe van de STM is verbluffend eenvoudig. Het valt het best te vergelijken met dat van een ouderwetse platenspeler. We gebruiken een vlijmscherpe metalen naald waarmee we het oppervlak van het preparaat aftasten. Het grote verschil met de platenspeler is dat onze naald het preparaat nèt niet raakt. We maken hierbij gebruik van het tunneleffect waardoor elektronen over kunnen springen van de naald naar het oppervlak of vice versa. De elektrische spanning die we aanleggen tussen de naald en het preparaat resulteert daardoor in een minuscule tunnelstroom. Deze stroom hangt extreem sterk af van de precieze afstand van naald naar oppervlak, en wordt pas goed meetbaar als het laatste atoom van de naald zich binnen een nanometer, ofwel enkele atoomafstanden bevindt van het dichtstbijzijnde atoom van het preparaat. De microscoop meet de stroom en stelt voortdurend de hoogte van de naald bij, om de stroom op een constante waarde, en daarmee de naald op een constante afstand te houden. Als nu de naald parallel aan het oppervlak verschoven wordt, terwijl de stroom constant wordt gehouden, volgt de naald een hobbelpad - iets hoger pal boven een atoom, en iets lager tussen de atomen in - dat beschouwd kan worden als een replica van de atomaire structuur van het oppervlak. De bewegingen van de naald worden door een computer geregistreerd en op een beeldscherm zichtbaar gemaakt. De beelden die ik u zal laten zien zijn op deze manier tot stand gekomen.

 

De eerste STMs waren afschuwelijk gecompliceerde apparaten die enorm gevoelig waren voor vloertrillingen, geluid en andere vormen van storing. Tegenwoordig bestaan er commerciële tunnelmicroscopen in zakformaat, die gewoon op tafel kunnen staan. De elektronica past in een kastje ter grootte van een ordinaire audioversterker en de besturing gebeurt vanaf een goedkope PC. Het zou me niets verbazen als we binnenkort tussen de chemiedozen en speelgoedmicroscopen een bouwpakket voor een STM kunnen vinden in de betere speelgoedwinkel.

 

Het is de combinatie van de relatief lage prijs van de STM en de er door verschafte, directe toegang tot de nanowereld die deze microscoop heeft gemaakt tot de ware Gargantua van de experimentele oppervlaktefysica. De meeste onderzoeksgroepen in ons vakgebied hebben inmiddels minstens één STM gekocht of zelf gebouwd. De technieken die die groepen voorheen gebruikten om oppervlakken te bestuderen zijn grotendeels op de achtergrond geraakt. Zo is in korte tijd een sterke eenzijdigheid ontstaan, een experimentele monocultuur. De ervaring van veel werkgroepleiders is dat het makkelijker is om onderzoeksgelden los te peuteren voor een STM dan voor een ander instrument. Ook het wetenschappelijke voetvolk, de doctoraalstudenten, promovendi en postdocs, is tegenwoordig alleen nog maar geïnteresseerd in werken met een nanoprobe. De redenen liggen voor de hand. We zijn van nature allemaal visueel ingesteld. Een ruimtelijke afbeelding van een oppervlak spreekt ons sterk aan. “Zien is geloven”, zelfs als we met de STM vaak een vertekend beeld krijgen. De STM past precies in deze tijd van televisies en computers. We besturen hem met de computer en krijgen de resultaten in digitale vorm, klaar voor alle mogelijke vormen van beeldverwerking en computergraphics: een Mekka voor whizzkids en televisiejeugd. Een negatieve consequentie van deze ontwikkeling is dat de oppervlakkige kijk die de STM ons levert de diepgang heeft weggenomen uit een groot deel van het huidige werk aan oppervlakken. Het merendeel van de STM-resultaten wordt gepresenteerd als vakantiekiekjes: stillevens met als ondertitel: “We hebben dit oppervlak zo geprepareerd en dan ziet het er zo uit.” In dit opzicht mogen we dus zeker niet van verlichting spreken, maar eerder van een terugval in de middeleeuwen. Velen beschouwen de STM blijkbaar nog als een bijzondere kijkdoos, en niet als fysisch meetinstrument. Een duidelijke illustratie hiervan is het commentaar van een referent bij een manuscript over STM-metingen dat we kort geleden aanboden aan het tijdschrift The Physcial Review Letters; de referent stoorde zich er aan dat er geen STM-plaatjes bij het artikel zaten, alleen grafieken!

 

De kracht van de STM, de schijn van visuele informatie, is dus tegelijkertijd de zwakte. De indruk van “kijken” en “zien” is zo sterk dat deze velen er van weerhoudt om de plaatjes te onderwerpen aan een grondige kwantitatieve analyse.

 

Wat ik persoonlijk zie als de sterkste eigenschap van de STM is dat we er het gedrag mee kunnen bestuderen van een klein deel van het oppervlak, dat zelf niet karakteristiek hoeft te zijn voor het hele oppervlak. Daar ligt de nieuwe oppervlaktefysica. Een goed voorbeeld van zo’n speciaal deel van een oppervlak wordt gevormd door stappen, plaatsen waar de hoogte met één atoomafstand verspringt. Oppervlakken zijn nooit helemaal vrij van dit soort onvolkomenheden, en, ook al is de fractie van oppervlakteatomen die dicht bij zo’n atomair op- of afstapje zitten meestal klein, toch domineren of modificeren de stappen vele aspecten van het gedrag van oppervlakken. De rol die het oppervlak speelt ten opzicht van het inwendige van de vaste stof, namelijk het begin- of aangrijpingspunt van veel processen - denk aan oxydatie, smelten, sublimeren, oplossen, kristalgroei, scheuren, etcetera - wordt op het oppervlak zelf weer gespeeld door de stappen. De stappen zijn de beginplaatsen voor aangroei van een vaste stof in contact met een oververzadigde oplossing, en het natuurlijke startpunt van afkalving bij onderverzadiging of bij sublimatie. De stappen vormen waarschijnlijk ook een natuurlijke plaats voor veel chemische reacties. Omdat de atomen bij de stap nog minder buuratomen hebben dan hun soortgenoten in de vlakke terrassen, vormen de stappen ook de minst stabiele gebieden van een oppervlak. We denken daarom dat orde-wanorde overgangen vaak juist bij de stappen beginnen. Met de STM kunnen we deze eendimensionale fouten met gemak vinden en afbeelden. We kunnen nog een stap verder afdalen in dimensie. De stappen bevatten namelijk op hun beurt weer puntfouten, de zogenaamde kinken, zijwaartse verspringingen van de stappositie over één atoomafstand. Deze nuldimensionale objecten vormen de plaatsen langs de stappen waar zich waarschijnlijk vrijwel alle actie concentreert. In de jaren twintig was I.N. Stranski al op het idee gekomen dat bij kristalgroei de arriverende atomen waarschijnlijk - eventueel na een zwerftocht over de vlakke terrassen en langs de rechte stappen - aanhechten aan zo’n kink. De kink kreeg daarom van hem een speciale naam, die helaas tegenwoordig niet meer wordt gebruikt: “Halbkristalllage”. We zijn nu pas zo ver dat we de door Stranski voorziene processen direct zichtbaar maken op de atomaire schaal.

 

De eerste videoclip die ik vertoon, demonstreert een grote verrassing, namelijk dat de stappen op een metaaloppervlak verre van statisch zijn. We kijken naar een klein gebiedje op een heet goudoppervlak, van zo’n 55 bij 35 atoomafstanden. De naald heeft het oppervlak lijn voor lijn afgetast en de gemeten hoogten zijn door een kleur weergegeven, zoals in een topografische hoogtekaart in een atlas. Helder geel komt overeen met de maximale hoogte, zwart met de minimale hoogte, en de andere kleuren zitten er tussen. De vage verticale strepen zijn de afzonderlijke atoomrijen. De plaatsen waar de kleur abrupt verandert, zijn de stappen, telkens met een hoogte van één atoomvlak. Binnen elke afbeelding zijn de stappen zeer rafelig en van afbeelding tot afbeelding is de vorm van alle stappen telkens duidelijk veranderd. De stappen bewegen dus! En niet zo’n beetje ook. De beweging is zelfs zo sterk dat de microscoop haar niet eens bijbeent. We kijken dus niet alleen naar bewegende beelden, maar het zijn ook bewogen beelden. Het filmpje is een snel afgespeelde versie van een langzame opname. In het volgende fragment hebben we de opname herhaald, maar nu tien keer zo snel. De rafeligheid en de verandering van beeld tot beeld zijn een stuk verminderd. Het geheel maakt op u misschien een zeer rommelige indruk, maar elk van de rafels eindigt telkens keurig op een roosterpositie van het goudkristal. Dus ook al is het een komen en gaan van horden van atomen, voor de korte tijd van hun verblijf laten alle atomen zich steeds netjes inlijven in de regelmatige stapeling van het goudkristal. Het is dus zeker niet zo dat bij deze temperatuur van 242˚C de stappen al tekenen van wanorde vertonen, zoals misschien gesuggereerd wordt door de vloeistofachtige golfbewegingen van de stappositie. Als we bij deze temperatuur een èchte momentopname zouden kunnen maken, zouden we zien dat alle atomen, tot en met het laatste atoom aan de rand, telkens volledig in het gelid staan. Tenslotte laten we de opname nog eens tien maal zo snel lopen. Nu is de rafeligheid al helemaal klein geworden. Sommige segmenten van de stappen zien er nu af en toe zelfs helemaal recht uit.

 

Het is u beslist opgevallen dat de beeldkwaliteit in de drie fragmenten niet steeds dezelfde is. In dit derde fragment zien we de atoomrijen van dit goudoppervlak, de verticale strepen, veel duidelijker dan in de eerste twee fragmenten. De veranderende resolutie demonstreert dat tijdens de opname de naald vaak van scherpte verandert. Er vindt dus niet alleen atomaire beweging plaats op het goudoppervlak, maar ook op de naald waarmee we hem aftasten. Het zijn dit soort beeldvariaties plus een verzameling van andere, systematische beeldvervormingen die er voor zorgen dat we altijd een verwrongen beeld krijgen, als zouden we het oppervlak in een lachspiegel zien. Ik vermoed dat men zich vaak door deze problemen er van heeft laten weerhouden om de STM-plaatjes te analyseren: een luiheid die door de astronomen en de patroonherkenners waarschijnlijk maar moeilijk begrepen kan worden.

 

Mijn eigen demonstratie is natuurlijk ook niet meer dan de vertoning van een “vakantievideo”. Het wordt pas èchte natuurkunde als we de bewegingen nauwkeurig kwantificeren en de wetmatigheden ervan aan het daglicht brengen. De mogelijkheid om de gemeten hoogten om te zetten in correlatiefuncties, gemiddelde dichtheden en andere “harde” grootheden, die de visuele beelden vertalen in een kwantitatief beeld van de bewegingen, zie ik als de tweede sterke eigenschap van de STM. We zijn inmiddels zo ver dat we de atomaire processen in de collectieve mesoscopische golfbeweging van de stappen op verscheidene oppervlakken in detail begrijpen. Verantwoordelijk voor de stapbeweging is het één voor één komen en gaan van individuele atomen. We “zien” deze afzonderlijke atomen niet in de video. Maar dat is ook niet gek. De situatie is vergelijkbaar met die in het volgende gedachtenexperiment. Stel dat je hier, vanaf het dak van het Academiegebouw, om de vijf minuten een foto zou maken van de Rapenburg, telkens met een lange belichtingstijd van eveneens vijf minuten. Aan het eind van de dag monteer je alle opnamen achter elkaar - het zijn er meer dan honderd -  en speel je ze snel af, als een film. Alles wat alleen maar door het beeld is bewogen, voorbijkomende voetgangers, fietsers en rijdende auto’s, heeft telkens binnen één opname een vage streep tot gevolg gehad, die in het filmpje niet opvalt. Toch zal het korte filmfragment duidelijke bewegingen laten zien. Het gaat hierbij om de objecten die gedurende de dag zijn gekomen en/of weer zijn vertrokken, en daartussen minimaal vijf minuten zijn blijven staan op het stukje Rapenburg dat we in beeld hebben gehad. We krijgen op deze manier heel duidelijk het parkeergedrag te zien van de auto’s, zonder daarbij gehinderd te worden door het rijgedrag. Als er voorkeur of afkeer bestaan voor bepaalde parkeerplaatsen, of als automobilisten de neiging hebben om hun auto zo ver mogelijk van of juist zo dicht mogelijk bij reeds geparkeerde auto’s neer te zetten, valt dit meteen op. Bovendien leren we uit het filmpje meteen hoe lang de auto’s gemiddeld parkeren en of er een correlatie bestaat tussen de parkeerduur en de parkeerplaats.

 

Een misschien nog toepasselijker vergelijking is het parkeergedrag van winkelwagentjes in een supermarkt. De wagentjes staan bij de ingang van de winkel geparkeerd in rijtjes. Als een klant een karretje pakt, is dit altijd het laatste karretje van een rij. De andere karretjes kunnen er onmogelijk tussenuit. Het lostrekken van het karretje kost even moeite, maar daarna wordt het karretje vrijwel moeiteloos door de supermarkt bewogen. Uiteindelijk belandt het karretje weer bij de andere karretjes, maar niet noodzakelijk in dezelfde rij als die waaruit het oorspronkelijk was gepakt. In de winkel is dus een reservoir aan mobiele karretjes dat in dynamisch evenwicht verkeert met het reservoir van geparkeerde karretjes in de voorraad bij de ingang. Het verschil tussen deze situatie en die van onze parkerende atomen is dat er voor de atomen geen klanten aan te pas komen om ze los te trekken en door de winkel te duwen. De atomen bewegen spontaan, thermische geactiveerd, en daarom sterk afhankelijk van de temperatuur. Als we de temperatuur-afhankelijkheid van de stapfluctuaties meten, komen we direct de activeringsenergieën van de microscopische subprocessen te weten, die aan de fluctuaties ten grondslag liggen. In de nu vertoonde opname zien we een stap bij een veel lagere temperatuur dan in de vorige fragmenten. De beweging is nu zo sterk vertraagd, dat we zien hoe de stapfluctuaties tot stand komen. Het zijn de kinken die heen en weer bewegen langs de stap. Door zeer eenvoudige metingen van de bewegingsstatistiek van individuele kinken en van groepen van kinken leren we tenslotte de details van de kinkenbeweging kennen. Op dit goudoppervlak bijvoorbeeld, dansen de kinken solistisch langs de stap zolang ze voldoende ver van elkaar verwijderd zijn. Naderen twee kinken elkaar echter binnen enkele atoomafstanden, dan dansen ze een duet. Ze gooien atomen over, hetgeen resulteert in gelijktijdige verplaatsingen van de twee buurkinken, naar elkaar toe of uit elkaar.

 

Het zijn dit type waarnemingen van wild fluctuerende stappen en kinken op kristaloppervlakken die ons in de afgelopen jaren definitief bevrijd hebben van het naïeve, saaie, statische beeld van oppervlakken. De oppervlakken lijken wel te leven Wat we bovendien vrijwel zonder uitzondering zien, is dat er geen ideale, vlakke oppervlakken bestaan! Hoezeer we ons best ook doen om vlakke, goed georiënteerde oppervlakken te prepareren, we vinden altijd stappen, kinken, en vaak verontreinigingen en stapelfouten van het kristalrooster: geen statisch polderlandschap dus, maar eerder een dynamisch terrasland.

 

De mogelijkheid om met hoge snelheden opnamen te maken is een bijzonderheid van onze microscoop, waarvoor we gebruik maken van speciale elektronica. Zoals de video laat zien, kunnen we er snelle processen goed mee volgen. De tweede bijzonderheid van onze microscoop is het gemak waarmee we preparaten bij verschillende temperaturen onder de loep, pardon naald kunnen nemen. Op het eerste gezicht lijken temperatuurveranderingen een groot probleem op te leveren voor de STM, omdat zelfs de kleinste thermische uitzettingen binnen de microscoop de naald al merkbaar verplaatsen ten opzichte van het preparaat. Toch is het mogelijk om met een geschikte keuze van materialen en afmetingen het instrument zo te construeren, dat uitzettingen van verschillende componenten van de microscoop tegen elkaar in werken, en elkaar daarbij grotendeels compenseren. Zo kunnen we tegenwoordige met onze STM tijdens temperatuurveranderingen van meer dan 250˚C één specifiek stukje oppervlak in beeld houden: een wereldrecord!

 

Niet altijd is het nodig om metalen te verhitten om ze tot “leven” te brengen. In het volgende videofragment kijken we naar spontane bewegingen van een zilveroppervlak, gewoon bij kamertemperatuur. Voordat we met de rastertunnelmicroscopie begonnen, had ik nooit vermoed dat een metaaloppervlak bij 20˚C zoveel actie zou vertonen. We kijken hier weer naar een stap. De energetische prijs van een kink langs een stap op dit oppervlak is zo laag dat de kinken voortdurend spontaan gevormd worden en weer verdwijnen. Zoals altijd: iets wat duur is, komt niet vaak voor; en dat wat spotgoedkoop is, vind je overal. We kunnen de kinkenergie daarom direct bepalen door eenvoudig het gemiddeld aantal kinken te tellen langs het bestudeerde stukje van de stap. We gebruiken de hoge meetsnelheid dus niet alleen om iets over bewegingen te leren, maar ook om in een korte tijd vele duizenden verschillende afbeeldingen te verkrijgen, waarmee we het gemiddeld aantal kinken, en daarmee de kinkprijs, zeer nauwkeurig kunnen bepalen. Dit basisrecept, de energetische prijs van een specifieke structuur bepalen door een eenvoudige telling van de gemiddelde frequentie waarmee we die structuur tegenkomen, is algemeen toepasbaar en wordt door ons gebruikt voor metingen van zowel vormings- als wisselwerkingsenergieën van stappen, kinken en andere lokale onvolkomenheden.

 

Het zilveroppervlak dat we hier zien is door ons speciaal zo georiënteerd, dat het een groot aantal stappen bevat. Dit stelt ons in staat om het krachtenspel tussen stappen direct te meten. We maken opnieuw een filmpje, maar nu van een aantal naburige stappen die allemaal één kink bevatten. Als de kinken ten opzichte van elkaar verschuiven, veranderen ze daarmee de afstanden waarover de stappen iets verder of iets minder ver dan normaal van elkaar verwijderd zijn. Het is opnieuw een eenvoudige telling die het ons mogelijk maakt om de daarmee samenhangende kracht, ofwel energetische prijs te bepalen.

 

Ik kan enkelen onder u horen denken: “Hoe zit het met de entropie?” Het probleem is dat in deze complexe situaties er niet van alle type configuraties evenveel realiseringsmogelijkheden bestaan. Dit kan de statistiek van de tellingen volledig scheeftrekken. Ook hier worden we geholpen door de hoge meetsnelheid. Het grote aantal gemeten plaatjes staat het ons toe om heel selectief te tellen en het grootste deel van de informatie gewoon ‘af te keuren’. Wat overblijft is een deelverzameling van de waarnemingen waarin elk type configuratie gewoon maar op één manier kan voorkomen, zodat binnen die deelverzameling de configurationele entropie nul is, en ons dus niet kan storen.

 

Laten we verder afkoelen en een kijkje nemen bij lage temperaturen. We keren terug naar het goudoppervlak, waarop we een klein beetje goud hebben opgedampt, een fractie van een atoomlaag. De meeste goudatomen hebben na hun landing op de terrassen bliksemsnel een van de kinken in een stap gevonden, en zijn daar ingebouwd in het goudrooster. Enkele goudatomen zijn echter op de terrassen elkaar tegengekomen en vormen kleine klustertjes. Bij -183˚C zien we hier een miniklustertje van niet meer dan zo’n vier atomen, dat als geheel over het goudoppervlak beweegt. De beweging wordt waarschijnlijk veroorzaakt door het om elkaar heen rennen van de aan elkaar plakkende atomen in de kluster. Het is inmiddels bij lage temperaturen ook al gelukt om individuele atomen en moleculen te volgen over het oppervlak. Uiteraard willen we de bewegingen weer kwantificeren en de microscopische energieparameters ervan bepalen. Helaas worden we hier geconfronteerd met een fundamenteel probleem van de STM. Het laatste atoom van de naald zit zó dicht bij het bewegende atoom op het goudoppervlak dat het een kleine, aantrekkende kracht uitoefent op dat atoom. We zien dan ook dat de goudatomen een duidelijke neiging vertonen om de naald te volgen in zijn rasterbeweging over het oppervlak. De naald is dus niet alleen toeschouwer, maar tegelijkertijd een beetje deelnemer aan de waargenomen oppervlakteprocessen. Als het aantal beweeglijke atomen groot is en de beweeglijkheid hoog, dan kan die aantrekking zelfs tot microscopische catastrofes leiden. Zo hebben we ontdekt dat er zich bij voldoende hoge temperatuur onder de naald spontaan stalagmieten vormen. Deze kristallijne uitstulpingen groeien zo snel, dat ze een brug kunnen slaan naar de naald en zo de naald spontaan vastlassen aan het preparaat.

 

De videofragmenten die ik heb vertoond, vormen een representatieve greep uit onze waarnemingen op metaaloppervlakken. We hebben gekeken bij hoge temperaturen, waar de diffusie zo sterk is dat we de individuele atomen niet kunnen “zien”, maar wel de collectieve fluctuatie van stappen die ze veroorzaken. Bij lage temperatuur hebben we de beweging gezien van kleine klusters van atomen en individuele atomen. Bij tussenliggende temperaturen zien we het ontstaan en verdwijnen van kinken en hun eendimensionale dans langs de stappen. Waar mogelijk gebruiken we de STM-waarnemingen om behalve een kwalitatieve impressie vooral  kwantitatieve informatie te krijgen over de energetica en de dynamica van onze hoofdrolspelers, de adatomen, kinken, stappen, etcetera. Destijds was een van onze motivaties om de speciale STM te construeren, de hoop dat we er lokale metingen mee zouden kunnen doen aan orde-wanorde faseovergangen. De zogenaamde ‘verruwingsovergang’ hebben we al ‘zichtbaar’ gemaakt, maar ook op dit terrein zullen we pas tevreden mogen zijn, als we met zinvolle, kwantitatieve informatie komen. Hier ligt nog een hoop werk.

 

Nadat ik gesproken heb over de oudheid, de middeleeuwen en de renaissance van de oppervlaktefysica, wil ik nu een blik in de toekomst werpen, en u confronteren met mijn persoonlijke science fiction, voor de komende vijf jaar. Het is, mijns inziens, onvermijdelijk dat we afscheid moeten nemen van de ideale ultrahoogvacuüm-omgeving. Na drie decennia van intensieve studie van het grensvlak tussen de vaste stof aan één kant en “niets” aan de andere, moeten we ons werkterrein verleggen naar “echte” grensvlakken: vast-gas, vast-vloeistof en vast-vast. Op röntgenverstrooiing na zijn de meeste oppervlaktegevoelige meetmethoden volstrekt ongeschikt voor dit soort grensvlakken. De mogelijkheid om met subatomaire precisie twee objecten, bijvoorbeeld een atomair scherpe naald en een vlak stuk oppervlak, ten opzichte van elkaar te bewegen, opent hier diverse, nog niet geëxploreerde perspectieven.

 

We zullen oppervlakken onder atmosferische druk moeten bekijken en zelfs onder hoge druk. De open vragen hierbij zijn: Wat gebeurt er met een metaaloppervlak als we veel vreemde moleculen aan het oppervlak opdringen? Ontstaan er nieuwe structuren, die er bij lage drukken niet zijn? Zijn de oorspronkelijke facetten van het kristal nog wel stabiel? Verandert onder deze omstandigheden de evenwichtsvorm van de kristallen, en zo ja, hoe? Worden de dichtheden van stappen en kinken beïnvloed? Is er een effect op de mobiliteiten van atomen, kinken, stappen, etcetera?

 

De STM en de ermee verwante atomaire krachtmicroscoop, ook wel AFM genoemd, hebben geen moeite met het atomair opgelost afbeelden van vaste materialen in een vloeistof. Ik zie hier drie onderwerpen van interesse: de depositie en het oplossen van materialen aan het grensvlak tussen een vaste stof een elektrolytische oplossing; de groei en afbraak van kristallen in licht over- of onderverzadigde oplossingen; de eventuele ordeningsverschijnselen in vloeistoffen in contact met een vaste stof.

 

De AFM lijkt sterk op de STM, maar detecteert het microscopische krachtje tussen de naald en het oppervlak in plaats van de tunnelstroom. Als we de naald van een AFM op een gecontroleerde manier “bot” maken, openen we de weg om het krachtenspel te meten tussen twee vlakke metaaloppervlakken die met elkaar in contact gebracht worden. Zo zullen we gedetailleerde informatie krijgen over droge wrijving en slijtage op de nanoscopische en mesoscopische schaal. De droom is hier om van twee langs elkaar heen schuivende oppervlakjes alles te definiëren wat van belang zou kunnen zijn: oppervlakte-oriëntaties, relatieve azimuthale oriëntatie, schuifrichting, laadkracht, en vooral: het precieze contactoppervlak.

 

In elk van deze drie nieuwe richtingen worden momenteel al voorzichtige, experimentele “vingeroefeningen” gedaan. Maar dat hoort zo bij goede science fiction: je moet nooit onmogelijke dingen bedenken. En dat wat mogelijk is wordt altijd op z’n minst al een beetje gedaan. Deze onderwerpen zullen ons meer inzicht geven in het gedrag van oppervlakken van materialen onder praktische omstandigheden. Hete metaaloppervlakken in contact met gasmengsels bij hoge druk spelen bijvoorbeeld een belangrijke rol binnen de chemie als katalysatoren. Hoe de katalysatoroppervlakken er onder reactiecondities uitzien is niet goed bekend, maar het lijkt er sterk op dat ze een ingrijpende metamorfose ondergaan. Wrijving en slijtage zijn verschijnselen die weliswaar op een technisch niveau goed beschreven worden, maar waarbij het fundamentele begrip van het gedrag op de nano- en mesoschaal van één tot een miljoen atomen nog vrijwel volledig ontbreekt.

 

Het lijkt misschien alsof deze nieuwe onderwerpen wat minder fundamenteel en duidelijk meer toepassingsgericht zijn dan de onderwerpen waaraan we tot nu toe hebben gewerkt. Toch wil ik de indruk vermijden dat ons toekomstige werk enig voorspelbaar nut heeft. De indruk van nuttige, fundamentele achtergrondresearch wordt door ons fysici maar al te vaak onterecht gewekt. Om duidelijk te maken wat ik bedoel wil ik u een korte anekdote vertellen. Zoals de meeste wetenschappelijke instellingen in Nederland organiseren we bij het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica te Amsterdam eenmaal per jaar een Open Dag. Het doel ervan is om de deuren open te zetten voor 'het grote publiek' en te laten zien waaraan we zijn belastinggeld uitgeven. Een van onze vaste onderwerpen is de raster-tunnelmicroscoop. In een atmosfeer van spanning en geheimzinnigheid wordt het publiek de kelder in geleid en in kleine groepjes toegelaten in ons heiligdom. Als we dan uitleggen dat we met dat delicate instrument afzonderlijke atomen kunnen zien en een van onze filmpjes vertonen, zijn onze gasten meestal zodanig onder de indruk dat ze geen kritische vragen meer kunnen bedenken. Enkele jaren geleden had ik aan zo'n groepje mijn enthousiaste verhaal bijna helemaal verteld, toen een kleine jongen, van zo'n jaar of twaalf, mij onderbrak. Het gesprek verliep ongeveer als volgt:

 

- De jongen: "De apparaten die in deze ruimte staan, horen die allemaal bij deze microscoop?"
- Ik, trots: "Jazeker! Dat hoort er allemaal bij." 
- "Goh, dat zal wel een enorme hoeveelheid geld gekost hebben!"
- "Inderdaad; het zijn stuk voor stuk dure onderdelen. En wat we niet kunnen kopen, moeten we zelf maken; dat is al helemaal duur."
- "Maar wie betaalt dat dan?"
- Ik antwoordde geamuseerd: "Goeie vraag! U betaalt dat gezamenlijk, in de vorm van belasting die uiteindelijk, via instellingen zoals FOM en NWO, door ons wordt uitgegeven."
- Bij de jonge vraagsteller sloegen nu de stoppen door: "Maar waarom doen jullie dit hier? Dit is toch allemaal nergens voor nodig?"
- Lichtelijk geïrriteerd begon ik mijn standaardinleiding te herhalen over oppervlakken: dat je uitsluitend het oppervlak van een materiaal ziet en voelt; dat van een metaal juist het oppervlak roest, dat smelten aan de buitenkant begint, dat het de oppervlakken zijn, die wrijving veroorzaken en slijtage ondergaan, etcetera. Ook liet ik niet achterwege de katalyse en de micro-elektronica te vermelden en ter illustratie de bedrijven Shell en Philips te noemen.
- "Oh," zei de jongen, enigszins gerustgesteld, "dus jullie maken hier dingen voor de industrie?"
- "Nou..., nee. Wij zorgen meer voor de achtergrondkennis, die misschien in de toekomst in de industrie nog eens toegepast gaat worden."
Hierop beëindigde de jongen abrupt de discussie met de woorden: "Het lijkt mij dat jullie hier maar een beetje zitten te spelen!", mij beduusd en de rest van het groepje verbaasd achterlatend.

 

Het schokkende van dat gesprek is natuurlijk dat die jongen gewoon gelijk had! Inderdaad, wij zitten alleen maar te spelen, maar niet slechts een beetje! Het gaat om spelen op niveau; zeg maar gerust: topsport. En het heeft daarmee zijn eigen waarde! Nieuw land ontdekken, pionieren, exploreren, onbekend terrein verkennen, en op sommige plaatsen diepe kuilen graven. Dáár gaat het ons om! Onderweg op onze expeditie vinden we van alles dat later nog eens van pas kan komen, en bedenken we voortdurend nieuwe technische trucs die we bij onze verkenningen nodig hebben. Zo laten we een spoor achter van kennis, vondsten en vindingen, waarmee in de toekomst zonder twijfel nog iets 'nuttigs' gedaan wordt. De technologische spin-offs, ons onbedoelde nut, vormen, economisch gezien, een legitieme rechtvaardiging a posteriori voor een krachtige ondersteuning van het fundamentele onderzoek in èlke nieuwe richting. Maar dat nut is niet de drijfveer van de individuele onderzoeker: de nieuwsgierigheid domineert.

 

Dat is wat ik de kritische jongen helaas niet duidelijk heb gemaakt. Wij zijn tegenwoordig zo zwaar gehersenspoeld door een ongefundeerd rendabiliteits-principe, dat we zelfs in het fundamentele onderzoek, betaald notabene door de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie, ons kwetsbaar voelen als we er voor uit moeten komen dat ons werk geen direct, voorspelbaar, praktisch nut heeft. We omkleden onze presentaties maar wat graag met een glimmend laagje schijnbare korte-termijn nuttigheid en maken ons daarmee niet alleen schuldig aan misleiding en zelfbedrog, maar zelfs aan zelfcensuur en zelfverloochening. Ik beschouw het dan ook als een teken aan de wand dat binnen de stichting FOM gestreefd wordt naar een zekere verdeling van de budgetten tussen ‘curiosity-driven’ en 'application-oriented’ onderzoek. Als de eigen taal niet meer toereikend is om de koers begrijpelijk te omschrijven, valt er misschien ook niet meer zoveel te begrijpen!

 

Wat de nuttigheid betreft heeft de gemeenschap van oppervlaktefysici een bijzonder slecht geweten. In onze naïviteit riepen wij lange tijd dat de industrie van ons veel nut te verwachten had. De chemische industrie en de elektronicagiganten stonken er in en investeerden in fundamenteel onderzoek aan oppervlakken. Afgezien van een paar incidentele gevallen is er in vrijwel geen enkel product of productieproces een bijdrage te ontdekken van dit onderzoek, noch in de heterogene katalyse, noch in de micro-elektronica. De meeste bedrijven hebben het fundamentele onderzoek dan ook inmiddels afgezworen en besteden de oplossing van een incidenteel, fundamenteel vraagstuk graag uit aan ons, academici. Met onze motivatie mogen we ons dus niet verschuilen achter onze industriële collega’s.

 

Ik ben dan ook verbaasd over het gemak waarmee er vanuit de scanning-probe wereld tegenwoordig opnieuw de schijn van toepasbaarheid wordt gewekt bij het onderzoek aan manipulatie en modificatie van oppervlakken met de scherpe naald van de STM. De krachten tussen de naald en de oppervlakteatomen worden door sommigen gebruikt om individuele atomen selectief uit een siliciumoppervlak te trekken en elders eventueel weer te deponeren. Door met de naald losse atomen bij lage temperaturen over metaaloppervlakken te schuiven, kunnen ingewikkelde, kunstmatige structuren met speciale quantumeigenschappen worden gecreëerd. Dergelijke nieuwe technieken vormen misschien de eerste stapjes op weg naar de ultieme creativiteit: het zelf atoom-voor-atoom assembleren van èchte moleculen. Inmiddels zijn er al piepkleine stukjes zout in elkaar geknutseld. Dit werk wordt door zijn beoefenaars aangeduid met de naam “nanotechnologie”. Ik moet u bekennen dat naar mijn mening èchte nanotechnologie nog niet bestaat, en misschien zelfs nooit zal ontstaan. De schaal waarop gemanipuleerd en gemodificeerd wordt, is technologisch gezien irrelevant. Ik zie niet hoe de nanotrucjes opgeschaald kunnen worden naar meervoudige productie of zelfs massaproductie. Is het dan zinloos onderzoek? Nee, integendeel! Alleen is de naam “nanotechnologie” suggestief en misleidend. Het creatieve nanowerk is volgens mij een natuurlijk onderdeel van de nanowetenschap waartoe ook het eerder door mij beschreven onderzoek gerekend moet worden. En als “nanowetenschap” te saai klinkt, dan noemen we het gewoon: nanoscience!

 

Zeer gewaardeerde toehoorders, ik heb u vandaag mijn persoonlijke visie gegeven op de revolutie die de STM binnen de oppervlaktefysica teweeg heeft gebracht. Met opzet heb ik me beperkt tot een eenzijdige karikatuur, waarin diverse alternatieve meetmethoden en verscheidene andere interessante verschijnselen domweg buiten beschouwing zijn gebleven. Ik hoop dat ik aannemelijk heb kunnen maken dat er met de STM volwassen wetenschap kan worden bedreven, en dat er voor de STM en aanverwante microscopieën op het gebied van de grensvlakken tussen vaste stoffen en gassen, vloeistoffen en andere vaste stoffen een interessant nieuw terrein braak ligt. Maar vooral hoop ik dat ook u zich na mijn betoog enigszins kunt inleven in de dynamische nanowereld aan de buitenkant van eenvoudige materialen.

 

Ik wil besluiten met enkele persoonlijke woorden.

 

Geacht Bestuur van de Stichting tot Bevordering van de Atoom- en Molecuulfysica, ik ben zeer dankbaar voor het door u in mij gestelde vertrouwen. Ik beschouw het als een eer en een uitdaging om de moderne oppervlaktefysica op de nano- en mesoschaal in Leiden te mogen doceren, en de verbinding te belichamen tussen de Rijksuniversiteit Leiden en het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam. Ik zal me er voor inzetten om bovendien een concrete bijdrage te leveren aan het Leidse onderzoeksprogramma.

 

Geachte directie van de Stichting FOM en geachte directie van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica, u dank ik er hartelijk voor dat u me de ruimte geeft om deze benoeming te aanvaarden en me daarbij zo onvoorwaardelijk ondersteunt.

 

Hooggeleerde van der Veen, hooggeleerde Saris, beste Friso en Frans, jullie zijn mijn wetenschappelijke leermeesters, en nog steeds leer ik veel van jullie beiden. Friso, jij hebt bij mij de interesse gewekt voor de fysica op de vierkante nanometer en door jou is mijn oog voor detail gescherpt. Samen met jou mocht ik al tijdens mijn promotietijd de middeleeuwen verlaten met het prachtige onderwerp oppervlaktesmelten. Ik hoop in Leiden een waardig opvolger van je te zijn. Frans, jouw geïnteresseerde, maar kritische houding heeft mij altijd ondersteund en tevens systematisch behoed voor zelfgenoegzaamheid.

 

Het werk waarvan ik vandaag een glimp heb laten zien is het resultaat van een gezamenlijke technische en wetenschappelijke inspanning van een team van gedreven individuen. Medewerkers en oud-medewerkers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica, ik ben er van doordrongen dat jullie het zijn geweest die mijn droom van supersnelle, atomair opgeloste metingen aan hete en koude materiaaloppervlakken werkelijkheid hebben laten worden. Daarvoor ben ik jullie uiterst dankbaar.

 

Dames en Heren Studenten en Promovendi, de fysica van oppervlakken is na dertig jaar nog steeds, of misschien opnieuw, modern. Niet alleen de instrumentatie, maar ook de huidige onderzoeksthema’s bieden u de mogelijkheid om u breed te ontwikkelen en wetenschappelijk volledig te ontplooien. Ook de nieuwe thema’s van de grensvlakken vast-gas, vast-vloeistof en vast-vast staan garant voor een verzameling nieuwe, fascinerende verschijnselen. Ik verheug me er bij voorbaat op die samen met u te ontdekken.

 

Ik heb gezegd.