Elektron-'kick' fjerner enkelte atomer fra 2D-materiale – Physics World

En elektronstråle kan "sparke" enkelte atomer ud af et todimensionalt ark af hexagonalt bornitrid (hBN) på en kontrollerbar måde, hvilket trodser forudsigelser om, at elektronbestråling ville være for skadelig til dette formål. Endnu mere bemærkelsesværdigt forudsiger fysikerne bag opdagelsen, at en version med højere energi af samme teknik fortrinsvis kunne fjerne nitrogenatomer fra hBN-gitteret, hvilket er uventet, da nitrogen er tungere end bor. De tomme rum, eller ledige stillinger, efterladt af de "manglende" nitrogenatomer kunne have anvendelser i kvantecomputere, kommunikationsnetværk og sensorer.

 Nitrogen ledige pladser i hBN har optiske egenskaber, der gør dem ideelle til brug i nye kvante- og optoelektroniske enheder. Ulempen er, at de kan være svære at isolere, men forskere ved universitetet i Wien ledet af den eksperimentelle fysiker Toma Susi har nu fundet en måde at gøre det på ved hjælp af en teknik kaldet aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskopi (TEM).

 "Transmissionselektronmikroskopi giver os mulighed for at afbilde materialernes atomare struktur, og den er særligt velegnet til direkte at afsløre eventuelle defekter i prøvens gitter," forklarer Susi. "Aberrationskorrektion giver os opløsningen til at observere enkelte atomer - det er som at bruge briller til at se mere klart - men det kan også bruges til at fjerne disse atomer."

Tidligere blev TEM-målinger normalt udført under relativt dårlige vakuumforhold. Under disse omstændigheder kunne de gasmolekyler, der blev tilbage i instrumentet, nemt beskadige hBN-prøver ved at ætse atomer væk i materialets krystallinske gitter. Den højenergiske elektronstråle kan også beskadige prøven via elastiske kollisioner med elektronerne i strålen eller elektroniske excitationer.

Gitterskader er stærkt reduceret

Susi og kolleger overvandt disse problemer ved at betjene TEM'en i nær ultrahøjt vakuumforhold og teste forskellige elektronstråleenergier mellem 50 og 90 keV. De fandt ud af, at manglen på resterende gasmolekyler under det forbedrede vakuum undertrykker uønskede ætsningseffekter, som opstår ekstremt hurtigt og ellers ville forhindre enkelte atomer i at blive kontrolleret fjernet.

Hvad mere er, fandt teamet ud af, at TEM kunne skabe enkelte ledige stillinger af enten bor og nitrogen ved mellemenergier. Selvom bor er dobbelt så stor sandsynlighed for at blive udstødt ved energier under 80 keV på grund af dens lavere masse, ved højere energier, forudsiger holdet, at nitrogen bliver lettere at udstøde, hvilket gør det muligt at skabe denne ledige stilling. "For at skabe disse ledige stillinger skal der ikke noget særligt til," fortæller Susi Fysik verden. "De elektroner, der bruges til billeddannelse, har nok energi til at slå atomer ud i hBN-gitteret."

Det faktum, at forskerne udførte målinger over mange elektronenergier, gjorde det muligt for dem at indsamle robuste statistikker over, hvordan de manglende atomer genereres, noget der vil være nyttigt til at udvikle en fremtidig teori for, hvordan ledige stillinger kan skabes ved hjælp af en TEM.

Diamantkvanterevolutionen

"Nu hvor vi er i stand til at forudsige, hvor meget vi skal bruge for at bestråle materialet ved hver energi for at sparke nitrogen- eller boratomer ud, kan vi designe eksperimenter, der optimerer den ønskede fordeling af ledige stillinger," siger Susi. "Vi har også været banebrydende for manipulation på atomniveau ved at rette elektronstrålen mod individuelle gittersteder.

"Vi troede tidligere, at hexagonalt bornitrid ville beskadige for hurtigt til at være egnet til en sådan behandling. Det bliver vi nødt til at genoverveje nu."

Susi siger, at næste skridt vil være at generalisere resultaterne ud over hBN. "Med bedre teoretiske modeller kunne vi forudsige, hvordan strålen interagerer ikke kun med hBN, men potentielt andre materialer, såsom grafen og bulk silicium," siger han.

Forskerne beskriver deres arbejde Small.