'בעיטת' אלקטרונים מסירה אטומים בודדים מחומר דו-ממדי - עולם הפיזיקה

אלומת אלקטרונים יכולה "לבעוט" אטומים בודדים מתוך יריעה דו-ממדית של בורון ניטריד משושה (hBN) בצורה ניתנת לשליטה, בניגוד לתחזיות לפיהן הקרנת אלקטרונים תהיה מזיקה מדי למטרה זו. למרבה הפלא, הפיזיקאים שמאחורי התגלית חוזים שגרסה בעלת אנרגיה גבוהה יותר של אותה טכניקה יכולה להסיר בעדיפות אטומי חנקן מסריג ה-hBN, וזה בלתי צפוי מכיוון שחנקן כבד יותר מבורון. החללים הריקים, או המשרות הפנויות, שהותירו מאחור אטומי החנקן ה"חסרים" יכולים להיות בעלי יישומים במחשוב קוונטי, רשתות תקשורת וחיישנים.

 למקומות פנויים בחנקן ב-hBN יש תכונות אופטיות שהופכות אותם לאידיאליים לשימוש בהתקנים קוונטיים ואופטו-אלקטרוניים. החיסרון הוא שיכול להיות שקשה לבודד אותם, אבל חוקרים מאוניברסיטת וינה בראשות הפיזיקאי הניסיוני Toma Susi מצאו כעת דרך לעשות זאת באמצעות טכניקה שנקראת מיקרוסקופיה של העברת אלקטרונים סריקה מתוקנת סטייה (TEM).

 "מיקרוסקופיה אלקטרונית העברה מאפשרת לנו לדמיין את המבנה האטומי של חומרים והיא מתאימה במיוחד לחשוף ישירות כל פגמים בשריג הדגימה", מסביר סוסי. "תיקון סטייה מספק לנו את הרזולוציה לצפות באטומים בודדים - זה כמו להשתמש במשקפי ראייה כדי לראות יותר ברור - אבל זה יכול לשמש גם כדי להסיר את האטומים האלה."

בעבר, מדידות TEM נערכו בדרך כלל בתנאי ואקום גרועים יחסית. בנסיבות אלה, מולקולות הגז שנשארו במכשיר עלולות לפגוע בקלות בדגימות hBN על ידי חריטה של ​​אטומים בסריג הגבישי של החומר. אלומת האלקטרונים עתירת האנרגיה יכולה לפגוע בדגימה גם באמצעות התנגשויות אלסטיות עם האלקטרונים שבקרן או עירורים אלקטרוניים.

נזקי הסריג מופחתים מאוד

סוסי ועמיתיו התגברו על הבעיות הללו על ידי הפעלת ה-TEM בתנאי ואקום קרובים במיוחד ובדיקת אנרגיות שונות של אלומת אלקטרונים בין 50 ל-90 keV. הם גילו שהמחסור במולקולות גז שיוריות מתחת לוואקום המשופר מדכא השפעות תחריט לא רצויות, המתרחשות במהירות רבה ובאחרת ימנעו מאטומים בודדים הסרה בשליטה.

יתרה מכך, הצוות מצא שה-TEM יכול ליצור מקומות פנויים בודדים של בורון וחנקן באנרגיות ביניים. למרות שהסיכוי של בורון יפלט פי שניים באנרגיות מתחת ל-80 keV בגלל המסה הנמוכה שלו, באנרגיות גבוהות יותר, הצוות חוזה שחנקן יהפוך קל יותר לפליטה, ובכך יאפשר יצירת מקום פנוי זה בצורה מועדפת. "כדי ליצור את המשרות הפנויות האלה, לא צריך שום דבר מיוחד", אומרת סוסי עולם הפיזיקה. "לאלקטרונים המשמשים להדמיה יש מספיק אנרגיה כדי להפיל אטומים בסריג hBN."

העובדה שהחוקרים ביצעו מדידות על פני אנרגיות אלקטרוניות רבות אפשרה להם לאסוף נתונים סטטיסטיים חזקים על האופן שבו נוצרים האטומים החסרים, משהו שיהיה שימושי לפיתוח תיאוריה עתידית כיצד ניתן ליצור משרות פנויות באמצעות TEM.

מהפכת היהלומים הקוונטית

"עכשיו, כשאנחנו מסוגלים לחזות כמה אנחנו צריכים להקרין את החומר בכל אנרגיה כדי לבעוט החוצה אטומי חנקן או בורון, אנחנו יכולים לתכנן ניסויים שיייעלו את ההתפלגות הרצויה של מקומות פנויים", אומר סוזי. "היינו גם חלוצי מניפולציה ברמה האטומית על ידי הפניית קרן האלקטרונים לאתרי סריג בודדים.

"בעבר חשבנו שהבורון ניטריד משושה יפגע מהר מדי מכדי להתאים לטיפול כזה. נצטרך לשקול את זה מחדש עכשיו".

סוסי אומרת שהשלב הבא יהיה הכללת התוצאות מעבר ל-hBN. "עם מודלים תיאורטיים טובים יותר, נוכל לחזות כיצד הקרן מקיימת אינטראקציה לא רק עם hBN אלא עם חומרים אחרים, כמו גרפן וסיליקון בתפזורת", הוא אומר.

החוקרים מפרטים את עבודתם קָטָן.