Wat betekent cryogeen en wat zijn cryogene experimenten?

Cryogeen kan letterlijk worden vertaald met koud makend. Met het woord cryogeen maakt men duidelijk dat er werkzaamheden of experimenten worden verricht bij zeer lage temperaturen. Als men cryogene experimenten uitvoert  zal men daarvoor speciale stoffen moeten gebruiken. Deze stoffen hebben meestal de eigenschap dat ze een laag kookpunt hebben. Een aantal vloeistoffen  die hierbij aan de orde kunnen komen zijn:

  • Distikstof wordt ook wel stikstofgas genoemd of moleculaire stikstof: kookpunt 77 K (-196 Graden Celsius/ °C).
  • Diwaterstof, ook wel bekend onder de naam waterstof en waterstofgas: kookpunt 20K (-252,87 Graden Celsius/ °C).
  • Helium: kookpunt 4.2K/ 4.3 K of (- 268,9 Graden Celsius/ °C).

Vloeibare stikstof is niet heel kostbaar en is daarom zeer geschikt om te gebruiken voor verschillende experimenten. Vloeibare helium wordt minder gebruikt omdat het duurder is en daarnaast is het minder geschikt om te transporteren vanwege de veel lagere verdampingswarmte die hoge eisen stelt aan de isolatie tijdens het transport. Vloeibare helium wordt daarom alleen ingezet bij specifieke experimenten waarbij een extreem lage temperatuur nodig is. In dat geval wordt vloeibare helium ter plekke uit heliumgas gemaakt.

Waarom worden cryogene experimenten uitgevoerd?
Bij lage temperaturen bewegen atomen veel minder snel. Daarom worden veel wetenschappelijke experimenten cryogeen uitgevoerd. Daarnaast worden de geleidende eigenschappen van materialen beter als de temperatuur wordt verlaagd. Supergeleiders hebben een zeer geringe weerstand tegen elektrische stroom maar moeten daarvoor wel in een zeer koude toestand worden gebracht. Bij lage temperaturen treed er minder ‘ruis’ op in elektronische circuits. Verder kunnen sommige stoffen in supervloeibare staat worden gebracht indien men experimenten cryogeen uitvoert.

Liquefied of liquid natural gas lng
Lng is een afkorting die staat voor liquid natural gas/ liquefied natural gas. Dit mengsel wordt in het Nederlands ook wel vloeibaar aardgas genoemd. Lng is een mengsel dat hoofdzakelijk bestaat uit methaan. Daarnaast kunnen ook mogelijk restgassen aanwezig zijn in het mengsel. Deze restgassen kunnen bijvoorbeeld ethaan, propaan of stikstof zijn. Aardgas wordt in vloeibare staat getransporteerd. Dit gebeurd onder cryogene temperaturen. Bij normale druk wordt methaan vloeibaar bij cryogene temperaturen van ca. -162°C. Het volume van lng is 600 maal geringer dan aardgas bij een normale atmosferische druk en temperatuur. Door deze volumereductie is lng geschikt om te transporteren bijvoorbeeld over zee met in lng-tankers.

Wat is doteren en hoe kan dit proces worden uitgevoerd?

In de techniek kunnen pure materialen worden gebruikt voor de fabricage van producten. Het kan echter voorkomen dat bepaalde materialen in pure vorm niet over de gewenste eigenschappen beschikken voor een specifiek product. De eigenschappen van de materialen kunnen worden verbetert op verschillende manieren. Één van deze manieren is doteren. Het woord ‘doteren’ is afgeleid van het Latijnse woord ‘dotare’, dit betekend voorzien.

Doteren is een proces waarbij onzuiverheden in basismateriaal worden geplaatst. In feite worden doormiddel van doteren vreemde atomen toegevoegd aan het kristalrooster van een basismateriaal.

Hoe gaat doteren in zijn werk?
Het doel van doteren is het veranderen en verbeteren van de materiaaleigenschappen. Vooral in de halfgeleidertechnologie wordt het woord doteren regelmatig gebruikt. Een halfgeleider heeft over het algemeen de structuur van een isolator. Aan deze structuur worden zeer specifieke onzuiverheden toegevoegd. Het kristallijne basismateriaal wordt tijdens het doteren voorzien van atomen van een ander materiaal. Er ontstaat doormiddel van doteren een overschot aan vrije elektronen in het materiaal of juist een te kort aan vrije elektronen. Hierdoor wordt materiaal geleidend in de vorm van elektronengeleiding en gatengeleiding en wordt het oorspronkelijk isolerende basismateriaal verandert in een halfgeleidend materiaal.

Methodes door doteren
Er zijn verschillende manieren om het doteren uit te voeren. De meest gangbare methodes voor doteren zijn ionenimplantatie en diffusie. Deze twee methodes worden hieronder kort toegelicht.

Doteren doormiddel van ionenimplantatie
Doteren doormiddel van ionenimplantatie gebeurd met een ionenbron onder vacuüm. Over het algemeen is de ionenbron een speciale variant van een deeltjesversneller. In deze ionenbron wordt gebruik gemaakt van een magneetveld. Door het magneetveld worden ionen met de juiste massa afgescheiden. Het elektrische veld zorgt er voor dat de ionen worden versneld. De ionen worden door het elektrische veld vervolgens richting het materiaal, dat gedoteerd moet worden, geschoten. Dit gebeurd met zeer grote snelheden van meer dan 300.000 kilometer per uur. De ionen kunnen op verschillende dieptes het basismateriaal binnendringen.

Deze indringdiepte is afhankelijk van de grootte van het ion en het materiaal dat ingeplant moet worden in het basismateriaal. De onderdelen van het proces dat verbonden is aan ionenimplantatie kunnen nauwkeurig op elkaar worden afgestemd. Het is mogelijk om de snelheid van de ionen te regelen en versnellerspanning af te stemmen op het materiaal. Hiermee kan de indringdiepte van de ionen goed worden geregeld. Dit zorgt er voor dat de halfgeleider, die tijdens dit proces wordt gemaakt, over de juiste eigenschappen beschikt.

Doteren doormiddel van diffusie
Diffusie kan ook worden gebruikt als methode voor het doteren. Dit proces wordt meestal in twee stappen uitgevoerd. De eerste stap is het aanbrengen van een laag met een hoge concentratie onzuiverheden op het basismateriaal. Dit aanbrengen wordt ook wel predepositie genoemd. Vervolgens wordt het geheel doormiddel van warmte behandelt. Bij een hoge temperatuur worden de onzuiverheden in het kristalrooster opgenomen. Dit is doteren doormiddel van diffusie.