De kunst van het maken

Prof.dr.ir. Erwin Kessels – Plasma & Materials Processing

Nanotechnologie is vooralsnog vooral veel ‘nano’ en weinig ‘technologie’ vindt Erwin Kessels, hoogleraar Plasma & Materials Processing. Ontdekkingen in het lab moeten volgens hem meer vertaald worden naar industriële processen – ‘van lab naar fab’. Met zijn groep gaat hij die uitdaging aan. En met succes. De door zijn groep ontwikkelde methoden en technieken vinden hun weg in bedrijven als ASMI, Philips, NXP en FEI, met name op het gebied van zonneceltechnologie en nano-elektronica.

Tachtig tot negentig procent van de huidige zonnecellen op de markt is opgebouwd uit kristallijn silicium. Het hoogste rendement dat ooit is gehaald met dit type zonnecel is ruim 25 procent. Toch liggen de rendementen van zonnecellen die commercieel gemaakt worden, en bovenop onze daken komen te liggen, tussen de 16 en 19 procent. Blijkbaar weten we wel hoe we zonnecellen met hogere rendementen moeten maken, maar zijn de productiemethoden nog onvoldoende technisch en economisch opschaalbaar om zulke zonnecellen in de maatschappij in te zetten.

Nanomanufacturing

Zie hier een concreet voorbeeld van de uitdaging waar Erwin Kessels voor staat. De hoogleraar Plasma & Materials Processing betitelde het als ‘De kunst van het maken’ in zijn intreerede. De kunst om bij nieuwe innovaties die extra stappen te maken waardoor ze op een kosteneffectieve manier zijn te implementeren. “Je leest regelmatig artikelen in de krant over een nieuwe vondst in de nanotechnologie, zoals bijvoorbeeld een transistor die is gemaakt van nanobuisjes”, zegt Kessels. “Een prachtige vondst, maar de onderzoekers lukt dat misschien maar één keer op de honderd pogingen. Voor de productie op industriële schaal moet het echter 99 van de 100 keer lukken. Er komt enorm veel bij kijken, zowel in technisch als economisch opzicht, om dat voor elkaar te krijgen.”

Met zijn groep bewandelt hij het pad van hoe een nieuwe vondst de industrie in komt. Het gaat dan om innovaties die zijn te labelen onder de term nanomanufacturing, ofwel het ontwikkelen, aanpassen, manipuleren en assembleren van materialen met afmetingen in de orde van nanometers (een nanometer is een miljardste meter). Hij richt zich daarbij met name op toepassingen in de nano-elektronica en ‘renewables’ als zonnecellen en batterijen. 

Atoomlaagdepositie met plasma’s

Een van de technieken waar de groep veel mee werkt is het zogenaamde atoomlaagdepositie (in het Engels atomic layer deposition, afgekort ALD). Hierbij worden dunne materiaalfilms atoomlaag voor atoomlaag opgebouwd door middel van chemische reacties aan een oppervlak. Met deze techniek kunnen heel precies complexe structuren gemaakt worden op de nanoschaal. ALD maakt de laatste jaren een stormachtige ontwikkeling door met beoogde toepassingen in bijvoorbeeld nano-elektronica, fotonica, zonnecellen of OLED-schermen.

Zo’n tien jaar geleden richtte Kessels zich op het combineren van ALD met plasma’s. “Mensen begonnen daarmee, maar het werd nog niet echt opgepikt. Wij zijn erop ingesprongen”, zegt Kessels. Hij kon aantonen dat plasma’s allerlei extra mogelijkheden bieden. Zo bleek bijvoorbeeld dat met ‘plasma-ALD’ bij veel lagere temperaturen laagjes aan zijn te brengen, wat van belang is voor temperatuurgevoelige materialen. Daarnaast kun je met plasma’s meer en betere materialen maken. Het bleek een enorme doorbraak. “Intussen is het zover dat men in de wereld bij de term plasma-assisted ALD denkt aan Eindhoven”, zegt Kessels trots. “Het is ooit begonnen met twee promovendi, en nu werkt de halve groep eraan.”

Zonnecellen passiveren

Het signaleren van zo’n kans is een kracht van de groep, denkt Kessels. Maar daarnaast is de groep sterk in het tot op atomair en moleculair niveau uitpluizen van de onderliggende mechanismes van een techniek. Dat is essentieel volgens Kessels om zulke vooruitgang te kunnen boeken. “We maken zelf geen devices als zonnecellen, wat veel mensen denken”, zegt Kessels. “Dat is veel te complex voor een universitaire onderzoeksgroep. Onze kracht is dat we veel tijd steken in het snappen van de fundamentele processen en dan met andere partijen – de leiders in het veld – device maken. We zijn dus een ideale partner om mee samen te werken.”

Een van de grootste successen van de groep onderstreept dit. Het gaat om de vondst dat een laagje aluminiumoxide (wat eigenlijk vooral gebruikt wordt in nano-elektronica) heel goed het oppervlak van zonnecellen ‘passiveert’. Passiveren wil zeggen dat je voorkomt dat aangeslagen elektronen weer terugvallen in hun oorspronkelijke toestand en hun energie kwijtraken. Door te passiveren verminder je in feite het elektrische verlies en wordt het rendement van de zonnecel verhoogd.

In eerste instantie leek een dun laagje siliciumoxide de perfecte kandidaat om het zonneceloppervlak te passiveren. Maar siliciumoxide moet bij hoge temperaturen gemaakt worden en het vraagt een uitgebreide nabehandeling – beide stappen passen niet goed in de commerciële productie van zonnecellen. Door het fundamentele werk van Kessels aan aluminiumoxide in nano-elektronica ontdekte hij dat dit materiaal eigenschappen bezit die zich zeer goed lenen voor passivatie van zonnecellen.

“We hebben toen zonnecellen gemaakt met een laagje aluminiumoxide en dit bleek het rendement met maar liefst 1% te verhogen. Dat is echt heel veel”, zegt Kessels enthousiast. “Dat leidde tot veel interesse bij bedrijven, zoals het Eindhovense OTB Solar (tegenwoordig Roth & Rau BV) en het Duitse bedrijf Q-cells. Die zijn dat aluminiumoxide gaan toepassen. Het is een publiek geheim dat dit materiaal nu in nieuwe zonnecellen zit.”    

Nanocontacten

Waar Kessels voor de komende jaren vooral veel van verwacht is het gebruiken van ALD voor het maken van nanocontacten voor toekomstige nano-elektronica. “De onderdelen van computerchips worden momenteel gemaakt door in silicium heel precies stukjes van het materiaal weg te etsen”, legt Kessels uit. “Dit loopt echter tegen zijn grenzen aan. Veel mooier zou zijn als we op nanoschaal lokaal materiaal aan kunnen brengen waar we willen, een soort ‘bottom-up proces’. Voordeel is dat je dan nog preciezer kleine patroontjes kunt maken – en dus de ontwikkeling van steeds betere elektronica kunt voortzetten – en het proces met een aantal stappen terugbrengt.”

Kessels werkt hiervoor samen met FEI, een bedrijf dat elektronenmicroscopen maakt. Inmiddels hebben ze een techniek ontwikkeld dat een heel dun en smal patroon neerlegt met een elektronenbundel, waarna met ALD selectief op dat patroon materiaal aangroeit. Hiermee zou je mogelijk transistors kunnen maken van koolstofnanobuisjes of grafeen – materialen die al jaren als grote beloftes bekend staan. “Het is heel lastig, en we zijn er nog lang niet, maar ik denk dat we dit voor elkaar kunnen krijgen”, zegt Kessels.

Topsectorenbeleid

De groep van Kessels is binnen de faculteit Technische Natuurkunde één van de groepen met de meeste industriële interactie. Naast de al genoemde bedrijven werkt hij samen met onder meer SoLayTec, Levitech, ASM International, Philips, NXP en ASML. Zijn sleutel tot succes? “Het gaat niet om hard werken alleen, dat doen we natuurlijk ook. Je moet vooral gedreven zijn en strategisch kunnen nadenken en dan kun je de hele wereld aan”, zo zei hij in een eerder interview met Cursor.

Door de intensieve samenwerking met de industrie ondervindt hij aan den lijve dat het Topsectorenbeleid van de overheid negatieve gevolgen heeft. Hij ziet bijvoorbeeld veel financieringsbronnen verdwijnen. Kessels: “Bedrijven krijgen geen subsidie meer, maar moeten geld inleggen waar wij dan onderzoek van doen en zij belastingvoordeel krijgen. Maar je moet winst maken om belastingvoordeel te krijgen, dus kleine bedrijven hebben daar bijvoorbeeld nauwelijks profijt van. Het is daarom veel minder geworden, iets nieuws proberen wordt gewoon veel moeilijker.”

Ook dat stoort hem, dat projecten als gevolg van het Topsectorenbeleid al van begin af aan helemaal dichtgetimmerd moeten zijn. “Zo kun je alleen maar laaghangend fruit oogsten en niet investeren in nieuw onderzoek waarin je meer ruimte hebt om in alle vrijheid iets uit te zoeken”, aldus Kessels. Terwijl zijn groep nu juist ten volle heeft gedemonstreerd dat de grootste successen zijn te behalen door onderzoek dat niet van tevoren vast ligt. Successen die voortkwamen uit projecten waarin iets heel anders onderzocht werd. Hij pleit er dan ook voor dat de overheid het fundamentele onderzoek aan de universiteiten op peil houdt. Want, zoals hij in zijn intreerede Picasso aanhaalde: “Het geheim van de kunst is daarin gelegen dat men niet zoekt, maar vindt.” 

Korte bio:

1973: Geboren in Venlo
1996: Afgestudeerd Technische Natuurkunde aan TU Eindhoven
2000: Cum laude gepromoveerd aan TU Eindhoven
2000 – 2002: Onderzoeker in VS en Duitsland
2002 – 2011: Universitair docent aan TU Eindhoven, de eerste vijf jaar als KNAW-fellow
2007: Winnaar Peter Mark Memorial van American Vacuum Society voor zijn werk aan plasma-ALD
2008: Organiseerde het grootste ALD-event ter wereld
2010: Winnaar Vici-subsidie van 1,5 miljoen euro
2011 – heden: Hoogleraar Plasma & Materials Processing aan TU Eindhoven

Terug naar het overzicht