Elektronenstoß entfernt einzelne Atome aus 2D-Material – Physics World

Ein Elektronenstrahl kann einzelne Atome auf kontrollierbare Weise aus einer zweidimensionalen Schicht aus hexagonalem Bornitrid (hBN) „schleudern“ und widerspricht damit den Vorhersagen, dass Elektronenbestrahlung für diesen Zweck zu schädlich wäre. Noch bemerkenswerter ist die Vorhersage der Physiker hinter der Entdeckung, dass eine energiereichere Version derselben Technik vorzugsweise Stickstoffatome aus dem hBN-Gitter entfernen könnte, was unerwartet ist, da Stickstoff schwerer als Bor ist. Die leeren Räume oder Leerstellen, die durch die „fehlenden“ Stickstoffatome entstehen, könnten in Quantencomputern, Kommunikationsnetzwerken und Sensoren Anwendung finden.

 Stickstofffehlstellen in hBN verfügen über optische Eigenschaften, die sie ideal für den Einsatz in neuen Quanten- und optoelektronischen Geräten machen. Der Nachteil ist, dass es schwierig sein kann, sie zu isolieren, aber Forscher der Universität Wien unter der Leitung des Experimentalphysikers Toma Susi haben nun einen Weg gefunden, dies mithilfe einer Technik zu erreichen, die als aberrationskorrigierte Rastertransmissionselektronenmikroskopie (TEM) bezeichnet wird.

 „Mit der Transmissionselektronenmikroskopie können wir die atomare Struktur von Materialien abbilden und sind besonders gut geeignet, etwaige Defekte im Gitter der Probe direkt aufzudecken“, erklärt Susi. „Aberrationskorrektur gibt uns die Auflösung, um einzelne Atome zu beobachten – es ist, als würde man mit einer Brille klarer sehen –, aber sie kann auch verwendet werden, um diese Atome zu entfernen.“

Bisher wurden TEM-Messungen meist unter relativ schlechten Vakuumbedingungen durchgeführt. Unter diesen Umständen könnten die im Instrument verbliebenen Gasmoleküle die hBN-Proben leicht beschädigen, indem sie Atome im Kristallgitter des Materials wegätzen. Der hochenergetische Elektronenstrahl kann die Probe auch durch elastische Stöße mit den Elektronen im Strahl oder elektronische Anregungen schädigen.

Der Gitterschaden wird stark reduziert

Susi und Kollegen überwanden diese Probleme, indem sie das TEM unter nahezu ultrahohen Vakuumbedingungen betrieben und verschiedene Elektronenstrahlenergien zwischen 50 und 90 keV testeten. Sie fanden heraus, dass das Fehlen von Restgasmolekülen unter dem verbesserten Vakuum unerwünschte Ätzeffekte unterdrückt, die extrem schnell auftreten und andernfalls verhindern würden, dass einzelne Atome kontrolliert entfernt werden.

Darüber hinaus stellte das Team fest, dass das TEM bei mittleren Energien einzelne Leerstellen von Bor und Stickstoff erzeugen kann. Obwohl die Wahrscheinlichkeit, dass Bor aufgrund seiner geringeren Masse bei Energien unter 80 keV ausgestoßen wird, doppelt so hoch ist, prognostiziert das Team, dass sich Stickstoff bei höheren Energien leichter ausstoßen lässt, sodass diese Lücke bevorzugt entstehen kann. „Um diese Stellen zu schaffen, bedarf es nichts Besonderes“, erzählt Susi Physik-Welt. „Die für die Bildgebung verwendeten Elektronen haben genug Energie, um Atome im hBN-Gitter herauszuschlagen.“

Die Tatsache, dass die Forscher Messungen über viele Elektronenenergien hinweg durchführten, ermöglichte es ihnen, belastbare Statistiken darüber zu sammeln, wie die fehlenden Atome erzeugt werden, was für die Entwicklung einer zukünftigen Theorie darüber, wie Leerstellen mithilfe eines TEM erzeugt werden können, nützlich sein wird.

Die diamantene Quantenrevolution

„Da wir nun vorhersagen können, wie stark wir das Material bei jeder Energie bestrahlen müssen, um Stickstoff- oder Boratome herauszuschleudern, können wir Experimente entwerfen, die die gewünschte Verteilung der Leerstellen optimieren“, sagt Susi. „Wir haben auch Pionierarbeit bei der Manipulation auf atomarer Ebene geleistet, indem wir den Elektronenstrahl auf einzelne Gitterplätze gerichtet haben.

„Wir dachten bisher, hexagonales Bornitrid würde zu schnell schädigen, um für eine solche Behandlung geeignet zu sein. Das müssen wir jetzt noch einmal überdenken.“

Susi sagt, dass der nächste Schritt darin bestehen wird, die Ergebnisse über hBN hinaus zu verallgemeinern. „Mit besseren theoretischen Modellen könnten wir vorhersagen, wie der Strahl nicht nur mit hBN, sondern möglicherweise auch mit anderen Materialien wie Graphen und massivem Silizium interagiert“, sagt er.

Die Forscher beschreiben ihre Arbeit ausführlich in Klein.