Wetenschappelijk gezien is terahertzstraling een buitenbeentje: te groot voor het servet en te klein voor het tafellaken, zou je kunnen zeggen. Of beter gezegd: te korte golven voor de elektrotechniek en te lange golven voor de natuurkunde. Natuurkundige Niels van Hoof, die zijn promotie uitvoerde in de groep Surface Photonics van Jaime Gómez Rivas (Applied Physics), had daarom ook contact met de groep van hoogleraar Marion Matters bij Electrical Engineering.

“Beide groepen hebben zelfs samen een spin-off opgezet, TeraNova”, vertelt hij. “Dat bedrijf brengt de terahertzmicroscoop die we hebben ontwikkeld op de markt.” De kruisbestuiving tussen beide bloedgroepen, met elk hun eigen jargon, maakt het vakgebied van de terahertzstraling extra interessant, vindt Van Hoof.

Bodyscanners

Buiten de laboratoria is terahertzstraling vooral bekend van de bodyscanners die op vliegvelden gebruikt worden. Veel objecten zijn transparant voor terahertzstraling, legt de promovendus uit. “Maar metalen gedragen zich voor deze straling als een perfecte spiegel omdat ze elektriciteit geleiden. Dat maakt terahertzstraling heel geschikt om wapens te detecteren.”

Door die gevoeligheid voor elektrische geleiding kan terahertzstraling echter ook worden gebruikt om nieuwe, in het lab gemaakte materialen te onderzoeken. Denk aan allerlei fancy structuren zoals nanodraden, die door hun specifieke vorm en samenstelling bijzondere elektromagnetische eigenschappen vertonen.

Om die nieuwe materialen te analyseren, is het nodig om als het ware te kunnen inzoomen op het object. Dat kan met een techniek die ‘near field’-spectroscopie wordt genoemd, een methode die in de lichtmicroscopie al een halve eeuw met succes wordt toegepast om structuren kleiner dan de golflengte van het gebruikte licht zichtbaar te maken.

Oppervlak

“Door deze techniek toe te passen op terahertzstraling, kunnen we de elektrische velden detecteren aan het oppervlak van structuren die veel kleiner zijn dan de golflengte van de straling”, legt Van Hoof uit. “Zo bereiken we een resolutie van drie tot tien micrometer.” In de meetopstelling beweegt de sample in stapjes van tien micrometer voor een detector langs, terwijl deze wordt belicht met korte pulsen terahertzstraling. “Zo kunnen we het lokale elektrische veld meten als functie van de tijd. Aan de hand van die informatie kunnen we begrijpen waarom het materiaal zich op een bepaalde manier gedraagt.”

Dit soort metingen zijn volgens de natuurkundige vrijwel onmogelijk uit te voeren met zichtbaar licht. “In het optische domein moet je dit gedrag noodgedwongen simuleren, maar wij kunnen het dus daadwerkelijk meten. Het mooie is dat het systeem schaalbaar is; dat betekent dat je bij kleinere structuren en bijpassende hogere frequenties in principe hetzelfde gedrag kunt verwachten. Onze metingen met de terahertzmicroscoop zijn daardoor ook relevant voor andere delen van het elektromagnetisch spectrum.”

Laserpuls

Als toepassing keek Van Hoof onder meer naar een materiaal opgebouwd uit losjes gewoven zilveren nanodraden. “Van dat materiaal zouden goedkope, transparante elektroden gemaakt kunnen worden voor bijvoorbeeld flexibele plastic zonnecellen”, legt hij uit. “Met onze microscoop kunnen we geen individuele nanodraden bekijken, maar wel de relevante elektrische eigenschappen bepalen. Hiervoor heb ik samengewerkt met DIFFER, waar ze dit soort materialen maken.”

Als tweede toepassing onderzocht hij de zuiverheid van halfgeleidermateriaal. “Die zuiverheid kun je vaststellen door te meten hoe lang het materiaal geleidend blijft nadat je het hebt aangeslagen met een korte, intense puls laserlicht. Hoe langer, hoe zuiverder het materiaal. Dat is interessante informatie voor de halfgeleiderindustrie. We hebben een manier bedacht om dit te doen zonder dat de laserpuls de detector kan beschadigen. Dat is dusdanig uniek dat er patent voor is toegekend.”

Aanstuurbaar

Ook uniek aan de meetopstelling die Van Hoof bouwde, is dat deze volledig op afstand aanstuurbaar is - via het internet. Zoals in het onderstaande filmpje wordt uitgelegd, kwam dat goed uit bij de laatste fase van zijn onderzoek - die immers samenviel met de lockdowns tijdens coronapandemie.