Un "coup de pied" d'électron supprime des atomes uniques d'un matériau 2D - Physics World

Un faisceau d'électrons peut "expulser" des atomes uniques d'une feuille bidimensionnelle de nitrure de bore hexagonal (hBN) de manière contrôlable, défiant les prédictions selon lesquelles l'irradiation par électrons serait trop dommageable à cette fin. Plus remarquable encore, les physiciens à l'origine de la découverte prédisent qu'une version à plus haute énergie de la même technique pourrait éliminer préférentiellement les atomes d'azote du réseau hBN, ce qui est inattendu puisque l'azote est plus lourd que le bore. Les espaces vides, ou postes vacants, laissés par les atomes d'azote "manquants" pourraient avoir des applications dans l'informatique quantique, les réseaux de communication et les capteurs.

 Les lacunes d'azote dans hBN ont des propriétés optiques qui les rendent idéales pour une utilisation dans les dispositifs quantiques et optoélectroniques émergents. L'inconvénient est qu'ils peuvent être difficiles à isoler, mais des chercheurs de l'Université de Vienne dirigés par le physicien expérimental Toma Susi ont maintenant trouvé un moyen de le faire en utilisant une technique appelée microscopie électronique à transmission à balayage corrigée des aberrations (TEM).

 "La microscopie électronique à transmission nous permet d'imager la structure atomique des matériaux et elle est particulièrement bien adaptée pour révéler directement tout défaut dans le réseau de l'échantillon", explique Susi. "La correction des aberrations nous donne la résolution d'observer des atomes uniques - c'est comme utiliser des lunettes pour voir plus clairement - mais elle peut également être utilisée pour supprimer ces atomes."

Auparavant, les mesures TEM étaient généralement effectuées dans des conditions de vide relativement médiocres. Dans ces circonstances, les molécules de gaz qui restaient dans l'instrument pouvaient facilement endommager les échantillons de hBN en gravant les atomes du réseau cristallin du matériau. Le faisceau d'électrons à haute énergie peut également endommager l'échantillon via des collisions élastiques avec les électrons du faisceau ou des excitations électroniques.

Les dommages au réseau sont considérablement réduits

Susi et ses collègues ont surmonté ces problèmes en faisant fonctionner le TEM dans des conditions de vide proche de l'ultra-vide et en testant différentes énergies de faisceaux d'électrons entre 50 et 90 keV. Ils ont découvert que l'absence de molécules de gaz résiduelles sous le vide amélioré supprime les effets de gravure indésirables, qui se produisent extrêmement rapidement et empêcheraient autrement l'élimination contrôlée d'atomes individuels.

De plus, l'équipe a découvert que le TEM pouvait créer des lacunes uniques de bore et d'azote à des énergies intermédiaires. Bien que le bore soit deux fois plus susceptible d'être éjecté à des énergies inférieures à 80 keV en raison de sa masse plus faible, à des énergies plus élevées, l'équipe prédit que l'azote deviendra plus facile à éjecter, permettant ainsi de créer préférentiellement cette lacune. "Pour créer ces postes vacants, rien de spécial n'est nécessaire", explique Susi Monde de la physique. "Les électrons utilisés pour l'imagerie ont suffisamment d'énergie pour assommer les atomes du réseau hBN."

Le fait que les chercheurs aient effectué des mesures sur de nombreuses énergies d'électrons leur a permis de collecter des statistiques solides sur la manière dont les atomes manquants sont générés, ce qui sera utile pour développer une future théorie sur la manière dont les lacunes peuvent être créées à l'aide d'un TEM.

La révolution quantique du diamant

"Maintenant que nous sommes capables de prédire combien nous devons irradier le matériau à chaque énergie pour expulser les atomes d'azote ou de bore, nous pouvons concevoir des expériences qui optimisent la distribution souhaitée des lacunes", explique Susi. « Nous avons également été les pionniers de la manipulation au niveau atomique en dirigeant le faisceau d'électrons sur des sites individuels du réseau.

« Nous pensions auparavant que le nitrure de bore hexagonal s'abîmerait trop rapidement pour convenir à un tel traitement. Nous allons devoir reconsidérer cela maintenant.

Susi dit que la prochaine étape sera de généraliser les résultats au-delà de hBN. "Avec de meilleurs modèles théoriques, nous pourrions prédire comment le faisceau interagit non seulement avec hBN mais potentiellement avec d'autres matériaux, tels que le graphène et le silicium en vrac", dit-il.

Les chercheurs détaillent leurs travaux dans Petite.