Az elektron „rúgás” egyetlen atomot távolít el a 2D-s anyagból – Fizika világa

Egy elektronsugár szabályozható módon képes „kirúgni” egyes atomokat a hatszögletű bór-nitrid (hBN) kétdimenziós lapjából, megcáfolva az előrejelzéseket, miszerint az elektronbesugárzás túlságosan káros lenne erre a célra. Még figyelemreméltóbb, hogy a felfedezés mögött álló fizikusok azt jósolják, hogy ugyanezen technika nagyobb energiájú változata előnyösen eltávolíthatja a nitrogénatomokat a hBN-rácsból, ami váratlan, mivel a nitrogén nehezebb, mint a bór. A „hiányzó” nitrogénatomok által hátrahagyott üres terek vagy üres helyek a kvantumszámítástechnikában, a kommunikációs hálózatokban és az érzékelőkben alkalmazhatók.

 A hBN-ben található nitrogén-üres állások olyan optikai tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek ideálissá teszik őket a feltörekvő kvantum- és optoelektronikai eszközökben való használatra. Hátránya, hogy nehéz lehet elkülöníteni őket, de a Bécsi Egyetem kutatói Toma Susi kísérleti fizikus vezetésével most megtalálták a módját ennek az aberrációkorrigált pásztázó transzmissziós elektronmikroszkópiának (TEM) nevezett technikával.

 „A transzmissziós elektronmikroszkópia lehetővé teszi az anyagok atomi szerkezetének leképezését, és különösen alkalmas arra, hogy közvetlenül feltárjuk a minta rácsának hibáit” – magyarázza Susi. „Az aberrációkorrekció lehetővé teszi számunkra, hogy egyes atomokat figyeljünk meg – ez olyan, mintha szemüveget használnánk a tisztább látás érdekében –, de ezen atomok eltávolítására is használható.”

Korábban a TEM méréseket általában viszonylag rossz vákuumkörülmények között végezték. Ilyen körülmények között a műszerben maradt gázmolekulák könnyen károsíthatják a hBN-mintákat azáltal, hogy kimarják az atomokat az anyag kristályrácsából. A nagy energiájú elektronsugár károsíthatja a mintát a nyaláb elektronjaival való rugalmas ütközések vagy az elektronikus gerjesztések révén.

A rács károsodása jelentősen csökken

Susi és munkatársai úgy oldották meg ezeket a problémákat, hogy a TEM-et közel ultramagas vákuumkörülmények között üzemeltették, és különböző, 50 és 90 keV közötti elektronsugaras energiákat teszteltek. Azt találták, hogy a maradék gázmolekulák hiánya a javított vákuum alatt elnyomja a nem kívánt maratási hatásokat, amelyek rendkívül gyorsan jelentkeznek, és egyébként megakadályoznák az egyes atomok ellenőrizhető eltávolítását.

Sőt, a csapat azt találta, hogy a TEM akár bórból, akár nitrogénből képes egyetlen üresedést létrehozni köztes energiákon. Bár a bór kétszer nagyobb valószínűséggel kilökődik 80 keV alatti energiáknál kisebb tömege miatt, magasabb energiáknál, a csapat azt jósolja, hogy a nitrogén könnyebben kilökődik, így ez az üresedés előszeretettel hozható létre. „Ahhoz, hogy ezeket az üresedéseket megteremtsük, semmi különösre nincs szükség” – mondja Susi Fizika Világa. "A képalkotáshoz használt elektronok elegendő energiával rendelkeznek ahhoz, hogy kiiktassák az atomokat a hBN-rácsból."

Az a tény, hogy a kutatók sok elektronenergián végeztek méréseket, lehetővé tette számukra, hogy megbízható statisztikákat gyűjtsenek a hiányzó atomok keletkezésének módjáról, ami hasznos lesz egy jövőbeli elmélet kidolgozásához arra vonatkozóan, hogyan lehet üresedéseket létrehozni TEM segítségével.

A gyémánt kvantumforradalom

„Most, hogy meg tudjuk jósolni, hogy mennyit kell besugároznunk az anyagot minden egyes energiánál a nitrogén- vagy bóratomok kiszorításához, olyan kísérleteket tervezhetünk, amelyek optimalizálják az üres álláshelyek kívánt eloszlását” – mondja Susi. „Úttörő szerepet vállaltunk az atomi szintű manipulációban is azáltal, hogy az elektronsugarat az egyes rácshelyekre irányítjuk.

„Korábban azt gondoltuk, hogy a hatszögletű bór-nitrid túl gyorsan károsodik ahhoz, hogy alkalmas legyen ilyen kezelésre. Ezt most át kell gondolnunk."

Susi szerint a következő lépés az eredmények általánosítása a hBN-n túl. "Jobb elméleti modellekkel megjósolhatnánk, hogy a nyaláb nem csak a hBN-nel, hanem potenciálisan más anyagokkal is kölcsönhatásba lép, mint például a grafén és az ömlesztett szilícium" - mondja.

A kutatók részletesen ismertetik munkájukat Small.