Feature (leestijd: 10 min)

Erik Bakkers en zijn nanodraden revoluties

Goede kans dat zijn laboratorium binnen een jaar of tien ’s werelds eerste Majorana qubits zal weten te maken, het essentiële ingrediënt voor een supersnelle quantumcomputer. Maar Erik Bakkers’ onderzoek naar nanodraden kan al veel eerder een revolutie teweegbrengen in de halfgeleiderindustrie, langs een heel andere weg. Hij doet wat lang onmogelijk leek: de meest gebruikte grondstof voor halfgeleiders – silicium – zodanig aanpassen dat het licht kan uitzenden. Dit kan de felbegeerde sleutel worden om fotonica met al haar voordelen te integreren in micro-elektronica. En trouwens: Bakkers (1972) heeft ook nog een nanodraad revolutie voor zonnecellen in petto.

Lees meer over de drie onderzoeksvelden van Erik Bakkers door op de onderstaande links te klikken, of scroll naar beneden om het hele artikel te lezen.

Erik Bakkers: “Voor mij is de zoektocht naar Majorana-deeltjes simpelweg een manier om mij bezig te houden met opwindende en grensverleggende wetenschap.” Foto: Bart van Overbeeke

Het verhaal van Erik Bakkers en zijn nanodraden begint bij het illustere onderzoekscentrum Natlab van elektronica multinational Philips. Dit laboratorium, opgericht in 1914 en broedplaats van talrijke nieuwe technologieën, nam Bakkers direct na zijn promotie in dienst. Het elektronicabedrijf gaf hem min of meer carte blanche. Bakkers kreeg de opdracht om nieuwe onderzoeksvelden vast te stellen en de meest veelbelovende eruit te pikken. Hij kwam uit bij ‘nanodraden’. Het onderzoek op dat gebied stond destijds nog in de kinderschoenen, slechts tien jaar oud.

Dat bleek de juiste keuze te zijn. Onderzoek naar nanodraden is sindsdien geëxplodeerd en Bakkers is uitgegroeid tot één van ‘s werelds allerbeste experts in het ontwikkelen van nanodraden. Tegenwoordig staat hij aan het hoofd van een onderzoeksgroep aan de Technische Universiteit Eindhoven. Zijn specialiteit is ‘materialen’: hij weet zeer nauwkeurig controle te houden over hoe de kristalstructuur van nanodraden zich ontwikkelt, en dat is de sleutel tot veelgevraagde nieuwe materialen en eigenschappen. Het is een specialiteit die topklasse wetenschap en ingenieurswerk vereist, aldus Bakker, maar “ook intuïtie speelt een belangrijke rol”.

Majorana

Majorana-onderzoek is een van de belangrijkste onderwerpen van Bakkers’ onderzoeksgroep aan de TU/e. Majorana-fermionen zijn quasideeltjes die in 1937 werden voorspeld door de Italiaanse fysicus Ettore Majorana, maar tot dusver nooit werden gevonden. Een doorbraak bleef decennialang uit, tot 2012. In dat jaar stonden Bakkers en zijn collega Leo Kouwenhoven van de TU Delft wereldwijd in de aandacht naar aanleiding van hun artikel in Science, over de eerste tekenen van Majorana-deeltjes, gedetecteerd in nanodraden die waren gecreëerd in Bakkers’ lab.

Het leek slechts een kwestie van tijd totdat de eerste Majorana-deeltjes zouden verschijnen, maar materiaalproblemen stonden in de weg. “Het kostte ons vijf jaar voordat we de nieuwe reeks metingen konden uitvoeren”, zegt Bakkers. “Onze opzet is om Majorana-deeltjes te creëren in een halfgeleidende nanodraad met een supergeleider er bovenop. De kwaliteit van de contacten tussen de twee materialen bleek cruciaal te zijn. Die moet uitzonderlijk schoon en zuiver zijn. Het duurde even, maar we hebben het voor elkaar gekregen, hier in Eindhoven”.

Monsterhouder in een moleculaire bundel epitaxie ruimte met daarin een stuk galliumarseen (zwart), dat gebruikt wordt voor temperatuurmeting, en twee kleinere stukjes (geel en paars) waar een serie nanodraden van indiumantimonide overheen gegroeid is voor Majorana-onderzoek. In deze moleculaire bundel epitaxie ruimte worden de draden afgeschermd met een beschermende Cadmium Telluride (CdTe) laag om de eigenschappen te verbeteren. Foto: Bart van Overbeeke

In 2017 publiceerde het onderzoeksconsortium een paper in Nature, gebaseerd op een nieuw ontwikkelde opstelling: een dubbel kruis van nanodraadjes, de ‘nano hashtag’ genoemd. Deze structuur zou in de toekomst de basis kunnen vormen van de eerste Majorana qubit, de bouwsteen van een quantumcomputer. Maar het was nog steeds geen definitief bewijs.

Volgens Bakkers was de trage voortgang een teken dat zij niet met de juiste materialen werkten. Tot op dat moment waren de experimenten gebaseerd op een halfgeleidende nanodraad gemaakt van indiumantimonide, bedekt met een supergeleider van aluminium. “We hebben het zes jaar met deze materialen geprobeerd, maar we boeken te weinig progressie”, zegt Bakkers. “We weten niet of het huidige materiaal geschikt is om Majorana-deeltjes te laten verschijnen en te vervlechten, wat het ultieme bewijs zou betekenen. We gaan daarom nieuwe, extremere materialen ontwikkelen. We gaan lood-telluride gebruiken als halfgeleider, en lood als supergeleider – wat een sterkere supergeleider is dan aluminium. Met deze combinatie kunnen we de energieschaal van het systeem verhogen, en daarmee de stabiliteit.” Voor dit idee kreeg hij in 2019 een ERC Advanced Grant van 2,5 miljoen euro.

Postdoc Saša Gazibegović aan het werk met moleculaire bundel epitaxie apparatuur voor Marojana-onderzoek. Foto: Bart van Overbeeke

Ultieme bewijs

De nanodraden van Bakkers zijn een steeds belangrijker rol gaan spelen in het onderzoek naar Majorana-deeltjes. In eerste instantie hielden hij en zijn team zich ‘enkel’ bezig met de nanodraden. De supergeleider werd toegevoegd in Santa Barbara en de aluminiumcontacten in Delft, waar ook de experimenten werden uitgevoerd. Maar sinds een flink aantal jaren voegt Bakkers’ laboratorium zelf de supergeleider toe en dat scheelt een transatlantische reis met alle bijbehorende risico’s.

Sinds kort worden ook de aluminiumcontacten toegevoegd in Eindhoven, wat betekent dat Bakkers en zijn team nu in de unieke positie verkeren dat zij de complete opstelling kunnen produceren die nodig is voor Majorana-onderzoek. En net als voorheen voorziet Bakkers wereldwijd onderzoekers van zijn producten, bijvoorbeeld in China en de VS, en in Delft. Wat de vraag doet rijzen waarom hij de Majorana-experimenten niet zelf uitvoert, in Eindhoven. “Dat is precies ons doel”, zegt hij met een glimlach. “Deze experimenten zijn ingewikkeld en je hebt er grote cryostaten voor nodig die een sample kunnen afkoelen tot slechts 10 millikelvin boven het absolute nulpunt. Met het geld van mijn nieuwe ERC-grant ga ik precies zo’n opstelling bouwen.” 

Betekent dit dat ‘s werelds eerste Majorana-fermionen in Eindhoven gedetecteerd zouden kunnen worden? Professor Bakkers wil er niet over speculeren. “Door onze nano-hashtag aan andere onderzoekers te leveren, verspreiden we onze kansen. Dus het bestaan van Majorana-fermionen zou best wel eens met één van onze opstellingen bewezen kunnen worden”, verklaart Bakkers zijn strategie. “Maar het zal niet morgen gebeuren. Ik denk dat het zo’n tien jaar zal duren voordat de wetenschap met het definitieve bewijs van Majorana-fermionen komt: Majorana vervlechting. En de eerste, volledig functionerende Majorana quantumcomputer zal nog minstens tien jaar langer op zich laten wachten.” Dit is overigens niet zijn voornaamste doel. “Voor mij is de zoektocht naar Majorana-deeltjes simpelweg een manier om mij bezig te houden met opwindende en grensverleggende wetenschap”, zegt Bakkers met een grijns.

Licht uit silicium

Majorana-deeltjes zijn hot, ze zijn ongrijpbaar, het is opwindende deeltjesfysica en ze vormen de basis voor een supersnelle quantumcomputer. En toch is er een onderzoekslijn waar Bakkers nóg enthousiaster over is dan zijn werk op het gebied van Majorana-deeltjes. De Eindhovense onderzoeker en zijn team zijn bezig een microlaser van silicium-germanium te ontwikkelen. “Dat zal echt een enorme doorbraak betekenen. Deze uitvinding is een gamechanger die de micro-elektronica industrie voorgoed zal veranderen”, legt Bakkers uit.

Promovendi Elham Fadaly, Marvin van Tilburg en Alain Dijkstra van de Advanced Nanomaterials & Devices groep van professor Erik Bakkers. Allemaal zijn ze betrokken bij het onderzoek naar lichtemissie van hexagonaal silicium-germanium.

Deze industrie, waar honderden miljarden euro’s in omgaan, werkt voornamelijk met silicium. Dit is het voornaamste halfgeleidermateriaal voor het maken van computerchips.  Een kernbegrip in de ontwikkeling van micro-elektronica is integratie, chips heten officieel dan ook ‘geïntegreerde schakelingen’, ofwel ICs (‘Integrated Circuits’). Chips integreren een alsmaar toenemend aantal functies, en bevatten daarmee ook meer en meer componenten.

Moderne ICs bevatten miljarden componenten van steeds kleiner formaat. De dataopslag- en verwerkingscapaciteiten van microchips zijn gedurende de laatste decennia in hoog tempo gegroeid.

Maar er is één ontwikkeling op elektronicagebied die zich minder snel voltrok: dataoverdracht. Dat is waarom datacommunicatie langzaam verschuift van elektronica naar fotonica, oftewel lichttechnologie. Dit vereist nanolasers die de lichtsignalen genereren, en liefst zodanig dat zij in de architectuur van de micro-elektronica kunnen worden geïntegreerd.  En hierin zit het probleem: het is niet mogelijk om silicium licht te laten uitzenden. Daarom worden fotonische chips op dit moment vervaardigd van halfgeleidermaterialen die wél licht kunnen uitzenden. Helaas zijn deze materialen, zoals bijvoorbeeld indiumfosfide, niet compatibel met silicium. En dus leek de integratie van lasers in micro-elektronica onmogelijk.

Hexagonaal silicium

Maar door het werk dat werd verricht in het laboratorium van Erik Bakkers lijkt dit binnenkort toch mogelijk. Het is hem gelukt om een silicium legering, te weten silicium-germanium, licht te laten uitzenden, en hij boekt snel vorderingen. Hoe kreeg hij dit voor elkaar? Door een nieuw type silicium te creëren. Siliciumatomen zijn van nature gerangschikt in een kubusvormige kristalstructuur. Echter, theoretische berekeningen voorspelden dat siliciumkristal met een hexagonale atoomstructuur licht kan uitzenden. De crux zit ‘m in het gat tussen de twee bovenste elektronenbanden van de siliciumatomen, de zogeheten bandafstand. Wanneer een elektron van de geleidingsband naar de valentieband ‘valt’, wordt een foton uitgezonden: licht. Tenzij de geleidingsband en de valentieband te dicht bij elkaar zitten, wat bij silicium het geval is, waardoor er geen bandafstand is en er dus geen fotonen worden uitgezonden. Silicium met een hexagonale structuur heeft daarentegen wel een bandafstand.

Zijaanzicht van een serie hexagonale galliumarsenide nanodraden. Deze nanodraden worden gebruikt om hexagonaal silicium te creëren door er een schil van silicium op te laten groeien.

En dus probeerden Bakkers en zijn team eerst om silicium met een hexagonale structuur te maken. In 2015 slaagden zij hierin. Ze maakten zeer pure hexagonale silicium door eerst nanodraden van een ander materiaal te laten groeien met een hexagonale kristalstructuur. Vervolgens lieten ze een schil van silicium op die nanodraden groeien. Het lukte hen om dit op een zodanige manier te doen dat de siliciumatomen bleven doorbouwen, zodat de hexagonale structuur bleef doorontwikkelen.

Dat was op zich al een hele prestatie, maar de volgende stap was nog veel spannender. Zendt het nieuwe materiaal ook licht uit? Dit bleek het geval. Bakkers: “We zien lichtemissies op exact de energieniveaus die werden voorspeld. De frequentie verschuift wanneer we germanium toevoegen, wat ons in staat stelt om de directe bandafstand in te stellen van 2 tot 3,5 micrometer. Dit is belangrijk omdat je verschillende lichtfrequenties nodig hebt om tegelijkertijd verschillende signalen te verzenden via één en dezelfde optische vezel”.

Bovenaanzicht van een galliumarsenide nanodraad. De diameter van de draad is ongeveer 400 nanometer.

De laser maken is volgens Bakkers nu een kwestie van tijd.  “Op dit moment hebben we optische eigenschappen gecreëerd die vrijwel vergelijkbaar zijn met indiumfosfide en galliumarsenide, en de kwaliteit van de materialen neemt sterk toe. Als alles goed blijft gaan, kunnen we in 2020 een siliciumlaser ontwikkelen.” In de tussentijd doet zijn team onderzoek naar het laatste puzzelstukje: de integratie van hexagonale silicium in micro-elektronica met een kubische siliciumstructuur.

“Als dit lukt, dan hebben we met succes de mogelijkheden van fotonica toegevoegd aan elektronica. Dat zal een revolutie teweegbrengen in de micro-elektronica industrie, omdat het optische communicatie mogelijk maakt, zowel intra-chip als chip-to-chip, wat veel minder energie kost en veel minder warmte genereert. Dat is belangrijk omdat het een halt toeroept aan het enorme energieverbruik van micro-elektronica.” Intra-chipcommunicatie zal ook resulteren in snellere chips; de huidige snelheid van chips wordt gelimiteerd door de weerstand van de koperen verbindingen tussen de vele transistors op een chip. Door gebruik te maken van licht, dat geen weerstand heeft, kan de kloksnelheid enorm toenemen.

Zonnecellen

De nanodraden van Bakkers zullen niet alleen een revolutie teweegbrengen in computing, ze zouden ook wel eens een sleutelrol kunnen gaan spelen in duurzame energievoorziening. Bakkers verwacht binnen een paar jaar de Shockley-Queisser-limiet te zullen doorbreken, het maximale theoretische rendement van een zonnecel dat werd berekend in 1961 en nog steeds geldt. Volgens deze limiet kunnen zonnepanelen vanwege natuurkundige wetten slechts rond de 33% zonlicht omzetten in energie. Maar Bakkers is ervan overtuigd dat zijn nanodraad-zonnecellen deze limiet kunnen doorbreken.

De Advanced Nanomaterials & Devices groep van professor Erik Bakkers.

Wereldwijd vindt op grote schaal onderzoek naar zonnecellen plaats, met verschillende technologieën. De nanodraad-zonnecel is een relatief nieuwe technologie die zo’n vijftien jaar geleden opkwam. In tegenstelling tot andere typen zonnecellen bestaan nanodraad-zonnecellen niet uit massieve, platte lagen. Ze bestaan uit een ‘grasveld’ van rechtopstaande draadjes die circa tweehonderd nanometer dik zijn, ofwel driehonderd keer dunner dan een mensenhaar.

De efficiëntie die bereikt wordt met nanodraden neemt in veel hoger tempo toe dan met andere zonneceltechnologieën, en daarom is dit een veelbelovend onderzoekspad. In 2016 heeft de groep van Bakkers het wereldrecord efficiëntie voor nanodraadzonnecellen gezet op 17,8 procent. Hoe komt het dat nanodraadzonnecellen zo goed presteren? Dat zit ‘m vooral in de afmetingen van de nanodraden. Omdat ze zo klein zijn, vangen ze als een soort antenne het licht op. Een ander effect dat bijdraagt aan de prestaties van de nanodraad-cel is dat de draadjes het licht als het ware concentreren. De diameter van de nanodraden bepaalt hoe goed het licht wordt geconcentreerd.

De Shockley-Queisser limiet doorbreken zou “op zich al spectaculair zijn”, zegt Bakkers. “Ik denk dat verschillende onderzoeksgroepen hier bovenop zullen springen, en die golf van nieuw onderzoek zal tot een belangrijke toename leiden van de efficiëntie van zonnecellen.”

“We willen dit bereiken door de entropieverliezen te reduceren. Die zijn meegerekend in de Shockley-Queisser limiet uit 1961, maar de meeste mensen zijn dat vergeten. Door gebruik te maken van de nanodraad geometrie verwachten we deze verliezen te kunnen reduceren, omdat deze geometrie de lichtgolven kan leiden. Het zal niet eenvoudig zijn om dit aan te tonen. De sleutel is de kwaliteit en daarmee de interne efficiëntie van het materiaal, die moet perfect zijn. Dat is precies waar we goed in zijn”.

Ben je op zoek naar meer informatie?

Hilde van Genugten - de Laat
(Science Information Officer)