03/01/2017
Door Ad Spijkers
Duitse onderzoekers hebben op micro- en nanoniveau magnetisch koolstof gemaakt. Via lithografie maakten ze polymeren met miniscule kleine structuren en zetten die via pyrolyse om tot pyrolytisch magnetisch koolstof (PMC).
Zuiver koolstof is normaal gesproken niet magnetisch. Daarom hield de nanotechnologie zich bij de toepassing van koolstof tot nu toe vooral bezig met elektronentransport. Koolstof met magnetische eigenschappen werd weliswaar incidenteel geproduceerd, zonder dat het tot productie op micro- en nanoschaal leidde.
Onderzoekers van het Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) aan het Karlsruher Institut für Technologie (KIT) en het Institut für Physikalische Chemie van de Universität Freiburg is het gelukt magnetisch koolstof met micro- en nanostructuren te produceren. Hun PMC is betaalbaar en blijft in tegenstelling tot de meeste magnetische materialen ook bij extreem hoge temperaturen stabiel. Het materiaal hoeft niet op een speciale manier te worden opgeslagen, is bij kamertemperatuur te gebruiken en is compatibel met de meeste schaalbare lithografische technieken.
Polymeren voor MEMS
De onderzoekers gingen uit van polymeren die algemeen bij de productie van micro-elektromechanische systemen worden gebruikt. MEMS zijn kleine bouwstenen die elektrische en mechanische informatie verwerken, onder andere in de meet-, veiligheids-, medische en automobieltechniek.
De gebruikte polymeren kunnen via diverse methoden worden voorzien van micro- en nanostructuren. De onderzoekers uit Karlsruhe en Freiburg maakten gebruik van fotolithografie en twee-fotonen-lithografie. Bij de eerste wordt de in een masker opgeslagen informatie fotografische overgebracht op een voor straling gevoelige laag. Bij de tweede wordt vloeibaar hars door gerichte laserstralen uitgehard en worden in hoog tempo kleine driedimensionale structuren opgebouwd.
Pyrolyse
De onderzoekers lieten de gestructureerde polymeren een pyrolyse ondergaan, waarbij de temperatuur bij slechts zo'n 600°C lag, een temperatuur die een brede serie van MEMS-materialen kan weerstaan. Hierbij worden de polymeren omgezet in koolstof.
Dit pyrolytisch magnetisch koolstof onderscheidt zich fundamenteel van glasachtig koolstof, de klassieke vorm van pyrolytisch koolstof. PMC heeft intrinsieke magnetische eigenschappen omdat het tijdens de pyrolyse zijn microstructuur heeft veranderd en ongepaarde elektronenspins heeft opgebouwd. Hoe meer ongepaarde elektronenspins aanwezig zijn, des te serker zijn de magnetische eigenschappen.
Toepassing
Het dankzij deze methoden vervaardigde pyrolytische magnetische koolstof is dankzij zijn stabiliteit en lage productiekosten aantrekkelijk voor veel toepassingen, zoals de komende generatie micro-elektromechanische systemen (MEMS) en de nog verder geminiaturiseerde nano-elektromechanische systemen (NEMS), voor magneto-resonantie-specroscopie en andere beeldvormende technieken en voor de productie van magnetische composieten. Verder is PMC interessant voor fundamenteel onderzoek naar magnetische verschijnselen in koolstof.
De foto toont het model van pyrolytisch magnetisch koolstof met de voor de magnetische eigenschappen verantwoordelijke ongepaarde elektronenspins (rood) (foto: Dr. Swati Sharma)