El "golpe" de electrones elimina átomos individuales del material 2D - Physics World

Un haz de electrones puede "sacar" átomos individuales de una hoja bidimensional de nitruro de boro hexagonal (hBN) de forma controlable, desafiando las predicciones de que la irradiación de electrones sería demasiado dañina para este propósito. Aún más notable, los físicos detrás del descubrimiento predicen que una versión de mayor energía de la misma técnica podría eliminar preferentemente los átomos de nitrógeno de la red de hBN, lo cual es inesperado ya que el nitrógeno es más pesado que el boro. Los espacios vacíos, o vacantes, dejados por los átomos de nitrógeno "perdidos" podrían tener aplicaciones en la computación cuántica, las redes de comunicación y los sensores.

 Las vacantes de nitrógeno en hBN tienen propiedades ópticas que las hacen ideales para su uso en dispositivos cuánticos y optoelectrónicos emergentes. La desventaja es que pueden ser difíciles de aislar, pero los investigadores de la Universidad de Viena dirigidos por el físico experimental Toma Susi ahora han encontrado una manera de hacerlo utilizando una técnica llamada microscopía electrónica de transmisión de barrido con corrección de aberración (TEM).

 “La microscopía electrónica de transmisión nos permite obtener imágenes de la estructura atómica de los materiales y es particularmente adecuada para revelar directamente cualquier defecto en la red de la muestra”, explica Susi. “La corrección de aberraciones nos brinda la resolución para observar átomos individuales, es como usar anteojos para ver más claramente, pero también se puede usar para eliminar estos átomos”.

Anteriormente, las mediciones de TEM generalmente se realizaban en condiciones de vacío relativamente malas. En estas circunstancias, las moléculas de gas que permanecieron en el instrumento podrían dañar fácilmente las muestras de hBN al grabar átomos en la red cristalina del material. El haz de electrones de alta energía también puede dañar la muestra a través de colisiones elásticas con los electrones en el haz o excitaciones electrónicas.

El daño de celosía se reduce considerablemente.

Susi y sus colegas superaron estos problemas haciendo funcionar el TEM en condiciones de vacío casi ultraalto y probando diferentes energías de haz de electrones entre 50 y 90 keV. Descubrieron que la falta de moléculas de gas residual bajo el vacío mejorado suprime los efectos de grabado no deseados, que ocurren extremadamente rápido y, de lo contrario, evitarían que los átomos individuales se eliminen de manera controlada.

Además, el equipo descubrió que el TEM podía crear vacantes individuales de boro y nitrógeno a energías intermedias. Aunque el boro tiene el doble de probabilidades de ser expulsado a energías inferiores a 80 keV debido a su menor masa, a energías más altas, el equipo predice que el nitrógeno será más fácil de expulsar, lo que permitirá que se cree preferentemente esta vacante. “Para crear estas vacantes no se necesita nada especial”, dice Susi. Mundo de la física. "Los electrones utilizados para la formación de imágenes tienen suficiente energía para eliminar átomos en la red de hBN".

El hecho de que los investigadores realizaran mediciones sobre muchas energías de electrones les permitió recopilar estadísticas sólidas sobre cómo se generan los átomos que faltan, algo que será útil para desarrollar una teoría futura sobre cómo se pueden crear vacantes utilizando un TEM.

La revolución cuántica del diamante

“Ahora que podemos predecir cuánto necesitamos irradiar el material en cada energía para expulsar átomos de nitrógeno o boro, podemos diseñar experimentos que optimicen la distribución deseada de vacantes”, dice Susi. “También hemos sido pioneros en la manipulación a nivel atómico al dirigir el haz de electrones a sitios de red individuales.

“Anteriormente pensamos que el nitruro de boro hexagonal se dañaría demasiado rápido para ser adecuado para dicho tratamiento. Tendremos que reconsiderarlo ahora”.

Susi dice que el siguiente paso será generalizar los resultados más allá de hBN. “Con mejores modelos teóricos, podríamos predecir cómo interactúa el haz no solo con el hBN, sino potencialmente con otros materiales, como el grafeno y el silicio a granel”, dice.

Los investigadores detallan su trabajo en Pequeña.