Koolstof in de vorm van kunstmatig nanodiamant heeft eigenschappen die het uitermate geschikt maakt voor sensorische toepassingen, zoals kwantumsensoren.

Diamant vond voor het eerst zijn weg in uv-gevoelige fotodiodes in de large yield radiometer (LYRA), die de Euro­pese ruimtevaartorganisatie ESA in 2008 de ruimte instuurde om zonnestraling te bestuderen. De toen futuristische uv-detectoren in LYRA bevatten rijen met lichtgevoelige diodes op basis van laagjes kunstmatig, ultrapuur diamant in plaats van het meer gebruikelijke halfgeleider­materiaal silicium. Je verkrijgt die laagjes via chemical vapor deposition (CVD), waarbij je plasma van methaan onder lage druk opdampt. Onder de juiste omstandigheden zet de koolstof uit het methaan zich dan af als een laagje diamant.

Vergelijkbare kosten

Milos Nesladek, hoogleraar materiaalfysica aan de Universiteit Hasselt, stond mede aan de wieg van die diamantsensor. ‘Het grote voordeel van diamant boven silicium is dat het enkel uv absorbeert. Voor langere golflengtes is het materiaal volledig transparant.’ Nesladek vervolgt: ‘Diamant heeft als halfgeleider bovendien een brede bandkloof. Dat maakt diodes op basis van diamant veel minder gevoelig voor achter­grond­ruis. Om bij silicium een vergelijkbare prestatie te halen, moet je allerlei filters gebruiken.’ Daardoor verschillen de kosten om detectoren te maken met diamant weinig met die van detectoren op basis van silicium. Sinds de lancering van LYRA vinden diodes op basis van diamantlaagjes volgens de hoogleraar vaker toepassing in de ruimtevaart en in industriële uv-sensoren. Uitbreiding van dit arsenaal laat hij verder over aan de industrie.

‘Bij silicium moet je allerlei filters gebruiken’

De groep van Nesladek, die al meer dan twintig jaar onderzoek doet naar koolstof in de vorm van diamant als vervanger voor silicium in elektronica, richt zich inmiddels op kwantumsensoren. ‘Diamant is in pure vorm een inerte, isolerende matrix. Door enkele stikstofatomen toe te voegen, kun je in het materiaal echter nitrogen-vacancy centers aanbrengen. Daarvan kun je de elektronenspins manipuleren en aflezen door middel van fotoluminescentie of photocurrent.’

De optica en de uitlezing die daarbij komen kijken, hebben overigens een duidelijke connectie met Nesladeks eerdere werk aan uv-sensoren. ‘Ook bij een kwantumsensor moet je immers iets hebben om de spintoestand uit te lezen, om spin in stroom om te zetten.’

Moleculaire NMR

Nesladek verwacht dat kwantumsensoren de nabije toekomst van zowel het fundamenteel fysisch onderzoek als van de toegepaste life sciences en medische sector gaan beïnvloeden. ‘Wetenschappers werken al aan nanosensoren op basis van diamant om elektrische signalen te detecteren in levende weefsels, zoals neuronen’, zegt Nesladek. ‘Dergelijke nanodeeltjes kun je ook inzetten als een soort moleculaire NMR, waarvan je het optische signaal in levende cellen of in enkele moleculen kunt aflezen. Stel je eens voor wat dit aan vooruitgang zou betekenen ten opzichte van de huidige MRI-apparatuur.’

De laatste jaren zijn hierin relatief veel nieuwe groepen actief geworden, aldus Nesladek. Grote financieringsprogramma’s, zoals het Europese Quantum Technology Flagship, ondersteunen de ontwikkeling van kwantumsensoren. ‘Dit brengt veel nieuw talent en nuttige expertise in het veld. Door onderlinge samenwerking kunnen wij veel van elkaar leren.’

De hoogleraar is zich er duidelijk van bewust wat de inbreng van zijn groep zal blijven: ‘Wij weten als geen ander hoe je op een gecontroleerde manier ultrazuiver kunstmatig nanodiamant met allerlei gewenste toevoegingen en eigenschappen kunt maken.’