Materialen van een paar atomen dik genreren bij verbuiging voldoende elektriciteit om er een sensor van te maken die de massa detecteert van een enkel molecuul. Dat voorspellen Twentse en Catalaanse onderzoekers in Nature Nanotechnology, na voltooiing van een proefstukje dat voor het eerst voldoende elektriciteit genereert om überhaupt iets te detecteren.

Theoretici voorspelden vijftig jaar geleden al dat er een zogeheten flexo-elektrische effect moet bestaan, dat verbuiging omzet in elektrische stroom of omgekeerd. Net zoiets dus als het veel bekendere piëzo-elektrische effect dat werkt met druk in plaats van verbuiging.

Onder leiding van Guus Rijnders, van het Twentse nanotechinstituut MESA+, en zijn collega Gustau Catalan van het nanotechinstituut ICN2 in Barcelona, is nu aangetoond dat het flexo-elektrische effect sterker wordt wanneer je het buigende materiaal dunner wordt. Voor het piëzo-elektrische effect geldt precies het omgekeerde, dus ergens in het nanogebied moet het flexo-effect het sterkste van de twee worden.

Het wordt gedemonstreerd door een cantilevertje, dat bestaat uit een 70 nm dunne laag strontiumtitanaat (SrTiO₃), gesandwiched tussen twee 25 nm dunne elektrodes van strontiumruthenaat (SrRuO₃). De moleculen werden laag voor laag gedeponeerd op een silicium drager met behulp van molecular beam epitaxy, een techniek die perfect uitgelijnde kristallen oplevert. Tot slot ets je het silicium er onder uit.

Zulke dunne sandwiches zijn pas sinds kort te produceren, en dat is de reden dat niemand eerder met een werkend flexo-elektrisch materiaal wist te komen.

Het cantilevertje bleek te klein om op gecontroleerde wijze te buigen en de stroom te meten. Wat wel lukte, was een wisselspanning over de elektroden zetten en met een digitale microscoop de resulterende klapperbeweging filmen.

Bijkomend voordeel van flexo-elektriciteit is volgens de auteurs dat er heel veel materialen zijn die in theorie het effect zouden moeten vertonen, waaronder silicium en aanverwante halfgeleiders die nu al op grote schaal in chips worden verwerkt. Ten eerste vereenvoudigt dat de productie, ten tweede hoef je geen toxische metalen zoals lood te gebruiken die in piëzo-elektrische kristallen meestal wél zitten.

Voor een enkel-molecuul-sensor moet je het productieproces verder verfijnen zodat de cantilevertjes nog veel dunner worden. Het idee is dan dat je ze laat trillen; de trillingsfrequentie is afhankelijk van de massa en verandert als er een molecuul op landt.

bron: Universiteit Twente