Το «kick» ηλεκτρονίων αφαιρεί μεμονωμένα άτομα από υλικό 2D – Physics World

Μια δέσμη ηλεκτρονίων μπορεί να «εκδιώξει» μεμονωμένα άτομα από ένα δισδιάστατο φύλλο εξαγωνικού νιτριδίου του βορίου (hBN) με ελεγχόμενο τρόπο, αψηφώντας τις προβλέψεις ότι η ακτινοβολία ηλεκτρονίων θα ήταν πολύ επιζήμια για αυτόν τον σκοπό. Ακόμη πιο αξιοσημείωτο, οι φυσικοί πίσω από την ανακάλυψη προβλέπουν ότι μια έκδοση υψηλότερης ενέργειας της ίδιας τεχνικής θα μπορούσε κατά προτίμηση να αφαιρέσει άτομα αζώτου από το πλέγμα hBN, κάτι που είναι απροσδόκητο αφού το άζωτο είναι βαρύτερο από το βόριο. Οι κενοί χώροι, ή οι κενές θέσεις, που αφήνουν πίσω τους τα άτομα αζώτου που «λείπουν» θα μπορούσαν να έχουν εφαρμογές στον κβαντικό υπολογισμό, τα δίκτυα επικοινωνίας και τους αισθητήρες.

 Οι κενές θέσεις αζώτου στο hBN έχουν οπτικές ιδιότητες που τις καθιστούν ιδανικές για χρήση σε αναδυόμενες κβαντικές και οπτοηλεκτρονικές συσκευές. Το μειονέκτημα είναι ότι μπορεί να είναι δύσκολο να απομονωθούν, αλλά ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης με επικεφαλής τον πειραματικό φυσικό Toma Susi βρήκαν τώρα έναν τρόπο να το κάνουν χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης σάρωσης με διορθωμένη εκτροπή (TEM).

 «Η ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης μας επιτρέπει να απεικονίσουμε την ατομική δομή των υλικών και είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για να αποκαλύψει άμεσα τυχόν ελαττώματα στο πλέγμα του δείγματος», εξηγεί η Susi. "Η διόρθωση εκτροπής μας παρέχει την ανάλυση για να παρατηρήσουμε μεμονωμένα άτομα - είναι σαν να χρησιμοποιούμε γυαλιά για να βλέπουμε πιο καθαρά - αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την αφαίρεση αυτών των ατόμων."

Προηγουμένως, οι μετρήσεις TEM πραγματοποιούνταν συνήθως υπό σχετικά κακές συνθήκες κενού. Υπό αυτές τις συνθήκες, τα μόρια αερίου που παρέμειναν στο όργανο θα μπορούσαν εύκολα να βλάψουν τα δείγματα hBN με την χάραξη των ατόμων στο κρυσταλλικό πλέγμα του υλικού. Η δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας μπορεί επίσης να βλάψει το δείγμα μέσω ελαστικών συγκρούσεων με τα ηλεκτρόνια στη δέσμη ή ηλεκτρονικών διεγέρσεων.

Η ζημιά του πλέγματος μειώνεται σημαντικά

Ο Susi και οι συνεργάτες του ξεπέρασαν αυτά τα προβλήματα λειτουργώντας το TEM σε συνθήκες σχεδόν εξαιρετικά υψηλού κενού και δοκιμάζοντας διαφορετικές ενέργειες δέσμης ηλεκτρονίων μεταξύ 50 και 90 keV. Διαπίστωσαν ότι η έλλειψη υπολειμματικών μορίων αερίου κάτω από το βελτιωμένο κενό καταστέλλει τα ανεπιθύμητα φαινόμενα χάραξης, τα οποία συμβαίνουν εξαιρετικά γρήγορα και διαφορετικά θα εμπόδιζαν την ελεγχόμενη αφαίρεση μεμονωμένων ατόμων.

Επιπλέον, η ομάδα διαπίστωσε ότι το TEM θα μπορούσε να δημιουργήσει μεμονωμένες κενές θέσεις είτε βορίου είτε αζώτου σε ενδιάμεσες ενέργειες. Αν και το βόριο έχει διπλάσιες πιθανότητες να εκτοξευθεί σε ενέργειες κάτω των 80 keV λόγω της χαμηλότερης μάζας του, σε υψηλότερες ενέργειες, η ομάδα προβλέπει ότι το άζωτο θα γίνει ευκολότερο να εκτοξευτεί, επιτρέποντας έτσι να δημιουργηθεί αυτή η κενή θέση κατά προτίμηση. «Για να δημιουργηθούν αυτές οι κενές θέσεις, δεν χρειάζεται τίποτα ιδιαίτερο», λέει η Susi Κόσμος Φυσικής. «Τα ηλεκτρόνια που χρησιμοποιούνται για την απεικόνιση έχουν αρκετή ενέργεια για να εξουδετερώσουν τα άτομα στο πλέγμα hBN».

Το γεγονός ότι οι ερευνητές πραγματοποίησαν μετρήσεις σε πολλές ενέργειες ηλεκτρονίων τους επέτρεψε να συλλέξουν αξιόπιστες στατιστικές για το πώς δημιουργούνται τα άτομα που λείπουν, κάτι που θα είναι χρήσιμο για την ανάπτυξη μιας μελλοντικής θεωρίας για το πώς μπορούν να δημιουργηθούν κενές θέσεις χρησιμοποιώντας ένα TEM.

Η κβαντική επανάσταση του διαμαντιού

«Τώρα που είμαστε σε θέση να προβλέψουμε πόσο χρειάζεται να ακτινοβολήσουμε το υλικό σε κάθε ενέργεια για να εκτοξεύσουμε τα άτομα αζώτου ή βορίου, μπορούμε να σχεδιάσουμε πειράματα που βελτιστοποιούν την επιθυμητή κατανομή των κενών θέσεων», λέει η Susi. «Έχουμε επίσης πρωτοπορήσει στον χειρισμό ατομικού επιπέδου κατευθύνοντας τη δέσμη ηλεκτρονίων σε μεμονωμένες θέσεις πλέγματος.

«Προηγουμένως πιστεύαμε ότι το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου θα καταστρέψει πολύ γρήγορα για να είναι κατάλληλο για μια τέτοια επεξεργασία. Θα πρέπει να το ξανασκεφτούμε τώρα».

Η Susi λέει ότι το επόμενο βήμα θα είναι η γενίκευση των αποτελεσμάτων πέρα ​​από το hBN. «Με καλύτερα θεωρητικά μοντέλα, θα μπορούσαμε να προβλέψουμε πώς η δέσμη αλληλεπιδρά όχι μόνο με το hBN αλλά ενδεχομένως με άλλα υλικά, όπως το γραφένιο και το χύμα πυρίτιο», λέει.

Οι ερευνητές περιγράφουν λεπτομερώς τη δουλειά τους Μικρό.