"ركلة" الإلكترون تزيل الذرات المفردة من مادة ثنائية الأبعاد - عالم الفيزياء

يمكن لشعاع من الإلكترونات "طرد" ذرات مفردة من صفيحة ثنائية الأبعاد من نيتريد البورون السداسي (hBN) بطريقة يمكن التحكم فيها ، متحدية التنبؤات بأن تشعيع الإلكترون سيكون ضارًا جدًا لهذا الغرض. والأهم من ذلك ، توقع الفيزيائيون الذين يقفون وراء هذا الاكتشاف أن نسخة ذات طاقة أعلى من نفس التقنية يمكنها بشكل تفضيلي إزالة ذرات النيتروجين من شبكة hBN ، وهو أمر غير متوقع لأن النيتروجين أثقل من البورون. يمكن أن يكون للمساحات الفارغة ، أو الوظائف الشاغرة ، التي خلفتها ذرات النيتروجين "المفقودة" تطبيقات في الحوسبة الكمومية وشبكات الاتصال وأجهزة الاستشعار.

 وظائف النيتروجين الشاغرة في hBN لها خصائص بصرية تجعلها مثالية للاستخدام في الأجهزة الكمومية والإلكترونيات الضوئية الناشئة. الجانب السلبي هو أنه قد يكون من الصعب عزلها ، لكن الباحثين في جامعة فيينا بقيادة الفيزيائي التجريبي توما سوسي وجدوا الآن طريقة للقيام بذلك باستخدام تقنية تسمى المجهر الإلكتروني المصحح للزيغ (TEM).

 يوضح سوزي: "يسمح لنا المجهر الإلكتروني للإرسال بتصوير التركيب الذري للمواد وهو مناسب بشكل خاص للكشف المباشر عن أي عيوب في شبكة العينة". "يوفر لنا تصحيح الانحراف الدقة لمراقبة الذرات المفردة - يشبه استخدام النظارات لرؤية أكثر وضوحًا - ولكن يمكن استخدامه أيضًا لإزالة هذه الذرات."

في السابق ، كانت قياسات TEM تُجرى عادةً في ظل ظروف فراغ سيئة نسبيًا. في هذه الظروف ، يمكن لجزيئات الغاز التي بقيت في الجهاز أن تتلف بسهولة عينات hBN عن طريق حفر الذرات بعيدًا في الشبكة البلورية للمادة. يمكن لشعاع الإلكترون عالي الطاقة أيضًا إتلاف العينة عن طريق الاصطدامات المرنة مع الإلكترونات في الحزمة أو الإثارة الإلكترونية.

يتم تقليل ضرر الشبكة بشكل كبير

تغلب سوسي وزملاؤه على هذه المشكلات من خلال تشغيل TEM في ظروف فراغ شبه عالية جدًا واختبار طاقات مختلفة لشعاع الإلكترون بين 50 و 90 كيلوفولت. ووجدوا أن عدم وجود جزيئات الغاز المتبقية في ظل الفراغ المحسّن يقمع تأثيرات الحفر غير المرغوب فيها ، والتي تحدث بسرعة كبيرة وستمنع إزالة الذرات المفردة بشكل يمكن التحكم فيه.

علاوة على ذلك ، وجد الفريق أن TEM يمكن أن يخلق شواغر فردية من البورون والنيتروجين في الطاقات المتوسطة. على الرغم من احتمال طرد البورون بمقدار الضعف عند طاقات أقل من 80 كيلوفولت بسبب كتلته المنخفضة ، عند الطاقات الأعلى ، يتوقع الفريق أن النيتروجين سيصبح أسهل في الإخراج ، مما يسمح بإنشاء هذا الشاغر بشكل تفضيلي. يقول سوسي: "لإنشاء هذه الوظائف الشاغرة ، لا حاجة إلى أي شيء خاص" عالم الفيزياء. "الإلكترونات المستخدمة في التصوير لديها طاقة كافية لضرب الذرات في شبكة hBN."

سمحت حقيقة قيام الباحثين بإجراء قياسات على العديد من طاقات الإلكترون بجمع إحصائيات قوية حول كيفية إنشاء الذرات المفقودة ، وهو أمر سيكون مفيدًا لتطوير نظرية مستقبلية لكيفية إنشاء الوظائف الشاغرة باستخدام TEM.

ثورة الماس الكم

يقول سوسي: "الآن بعد أن أصبحنا قادرين على التنبؤ بالقدر الذي نحتاجه لإشعاع المادة في كل طاقة لطرد ذرات النيتروجين أو البورون ، يمكننا تصميم تجارب تعمل على تحسين التوزيع المرغوب فيه للوظائف الشاغرة". لقد ابتكرنا أيضًا التلاعب على المستوى الذري من خلال توجيه شعاع الإلكترون إلى مواقع شبكية فردية.

"لقد اعتقدنا سابقًا أن نيتريد البورون السداسي سيتلف بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا يكون مناسبًا لمثل هذا العلاج. سيتعين علينا إعادة النظر في ذلك الآن ".

يقول سوسي إن الخطوة التالية ستكون تعميم النتائج إلى ما بعد hBN. يقول: "باستخدام نماذج نظرية أفضل ، يمكننا التنبؤ بكيفية تفاعل الحزمة ليس فقط مع hBN ولكن أيضًا مع المواد الأخرى ، مثل الجرافين والسيليكون الكتلي".

الباحثون بالتفصيل عملهم في صغير.