‘Hier in Eindhoven maken ze dingen die nog niet bestaan’

‘Er zijn niet veel bedrijven die werken aan de hoogtechnologische dingen waar Riccardo Ollearo (1993) tijdens zijn studie materiaalwetenschappen en nanotechnologie zo enthousiast over werd. Rond Milaan, waar hij studeerde, zitten ze in ieder geval niet. Daarom is de Italiaan voor zijn promotie naar Eindhoven gekomen. Bij het Holst Centre – het innovatiecentrum van TNO en Imec – en de TU Eindhoven werken ze aan „very fancy stuff”: draadloze sensortechnologie en flexibele elektronica, vooral gericht op de gezondheidszorg. „Dingen die nog niet bestaan, maar die in de toekomst echt verschil kunnen maken”, vat Ollearo het samen.

Ollearo onderzoekt diodes, lichtsensoren, gemaakt van perovskiet. Dat halfgeleidermateriaal is vooral bekend van dunne, flexibele zonnecellen waar het voor hoge energieopbrengst zorgt. „Het onderzoek naar perovskiet voor zonne-energie explodeert nu. Ik wilde aan iets werken dat nog minder aandacht krijgt, zodat ik meer vooruitgang kan boeken.” Dat is gelukt. Vorige maand publiceerde Ollearo in Science Advances het onderzoek waarmee hij zijn promotie afrondt. Daarin demonstreert hij een gevoelige diode die een hartslag uit een vingertop vanaf meer dan een meter afstand kan registreren.

„Een diode haalt informatie uit licht”, zegt Ollearo. „Als licht de diode raakt, gaat er stroom lopen. De hoeveelheid licht bepaalt de sterkte van de stroom en daaruit is informatie af te leiden.” Hij gebaart naar zijn smartwatch, waar ook een lichtsensor in zit. „Hier flikkert een groen lichtje richting je pols. Als je hartslag verandert is ook de hoeveelheid licht die reflecteert anders.” Het lichtje flikkert fel. „Dat is meestal bij dit soort toepassingen, er is vrij veel licht nodig. Onze diode heeft heel weinig licht nodig om een kwalitatief signaal te geven.”

Duik in de materiaalfysica

Om de sensor zo gevoelig te krijgen, moest Ollearo diep de materiaalfysica in duiken. Eerste horde: het verminderen van de donkerstroom. Een diode reageert op licht, maar ook als het donker is loopt er een beetje stroom. Donkerstroom is ruis in het signaal, die je niet kunt gebruiken als je een heel lage lichtintensiteit wil meten. Doorgaans wordt een extra laagje van een ander materiaal toegevoegd dat dit effect blokkeert, maar bij perovskiet bleef er een kleine stroom lopen.

„We wilden weten hoe dat kwam”, zegt Ollearo. Spelen met de temperatuur van de omgeving was leerzaam, de energie die daarin aanwezig is heeft invloed op de donkerstroom en daarmee konden ze het gedrag van donkerstroom in het perovskiet in kaart brengen. De stroom bleek afkomstig uit het blokkerende laagje. Door de samenstelling daarvan te veranderen verminderde de donkerstroom.

„Dat was al een mooi resultaat, maar ik had nog een jaar te gaan”, zegt Ollearo. „Ik was in Italië met Kerst eind 2021. Het was heel fijn om thuis te zijn, al liep ik wel covid op. Ik zat dus een tijdje vast daar en ik kon weinig doen behalve nadenken over een volgend project. Drie jaar lang had ik in het donker zitten prutsen, nu leek het me wel wat om naar licht te gaan kijken.”

Volgende horde: een sensor heel gevoelig maken voor nabij-infrarood licht. Zonnecellen met perovskiet erin breken records omdat ze uit meerdere lagen bestaan en elke laag een ander deel van het licht absorbeert en omzet in elektriciteit. Dat idee paste Ollearo ook toe in zijn diode, waarin hij een organisch laagje en een perovskietlaagje stapelde. De tweelaagse diode bleek extra gevoelig voor infrarood licht als er daarnaast een beetje groen licht op schijnt. Het rendement kwam zo tot boven de 200 procent.

Dat is geen alchemie, maar een effect van de twee lagen. „Een elektron dat in het ene laagje reageert op het infrarode licht krijgt een ‘bonus elektron’ uit het andere laagje mee dat door het groene licht in beweging is gekomen”, zegt Ollearo. Als er alleen groen licht op schijnt gebeurt er niks, het infrarode licht maakt dat er een stroom gaat lopen. „Weinig fotonen infrarood licht leveren dus een relatief grote stroom op, een duidelijk signaal.” Hoe de elektronen precies van het ene in het andere laagje terechtkomen blijft een mysterie. „Ze moeten een barrière over, maar er is geen goede techniek om dat te bestuderen.”

Nut hebben

En wat heb je aan zo’n gave diode? Of vindt Ollearo dat een flauwe vraag? „Nee, het is ook bij fundamenteel onderzoek inspirerend om je een voorstelling maken van waar dit echt nut kan hebben.” De diode kan hartslag meten van een afstandje, bedacht hij. „Dat gebeurt nu ook, maar dan met grote, zware camera’s. Onze diode is een klein, goedkoop dingetje dat makkelijk in de omgeving te integreren is.” Omdat zwak infrarood licht al genoeg is voor een signaal, kan de afstand tussen patiënt en sensor best groot zijn, vanaf 1,3 meter afstand deed hij het nog prima.

Ollearo wil na zijn promotie zeker verder in de hightech. „Wel in een ander onderzoeksveld, of richting andere materialen. Een nieuwe carrièrestap moet wel echt een stap zijn.” Ergens in die carrière hoopt hij naar de Verenigde Staten te gaan. „Het lijkt me interessant om daar een tijdje te wonen, ze doen er goed onderzoek en de salarissen zijn aantrekkelijk. Maar mijn vriendin is vorig jaar van Italië naar Nederland verhuisd. Ik ga niet nog een keer zonder haar in een ander land werken, dus zij moet dat ook willen.”