電子の「キック」により 2D 材料から単一原子が除去 – Physics World

電子ビームは、制御可能な方法で六方晶系窒化ホウ素（hBN）の二次元シートから単一原子を「蹴り出す」ことができ、この目的には電子照射によるダメージが大きすぎるという予測を覆します。 さらに驚くべきことに、この発見の背後にある物理学者らは、同じ技術のより高エネルギー版では、hBN 格子から窒素原子を優先的に除去できる可能性があると予測しているが、窒素はホウ素より重いため、これは予想外である。 「失われた」窒素原子によって残された空のスペース、つまり空孔は、量子コンピューティング、通信ネットワーク、センサーなどに応用できる可能性があります。

 hBN の窒素空孔には、新興の量子デバイスや光電子デバイスでの使用に最適な光学的特性があります。 欠点は、それらを分離するのが難しいことですが、実験物理学者のトーマ・スーシ率いるウィーン大学の研究者らは、収差補正された走査型透過電子顕微鏡（TEM）と呼ばれる技術を使用して分離する方法を発見しました。

 「透過型電子顕微鏡を使用すると、材料の原子構造を画像化でき、サンプルの格子内の欠陥を直接明らかにするのに特に適しています」と Susi 氏は説明します。 「収差補正により、単一の原子を観察するための解像度が得られます。これは、より鮮明に見るために眼鏡を使用するようなものですが、これらの原子を除去するために使用することもできます。」

以前は、TEM 測定は通常、比較的劣悪な真空条件下で行われていました。 このような状況では、機器内に残ったガス分子が材料の結晶格子内の原子をエッチングして hBN サンプルを容易に損傷する可能性があります。 高エネルギー電子ビームは、ビーム内の電子との弾性衝突や電子励起によってサンプルに損傷を与える可能性もあります。

格子ダメージが大幅に軽減される

Susiらは、超高真空に近い条件でTEMを動作させ、50～90keVのさまざまな電子ビームエネルギーをテストすることで、これらの問題を克服した。 彼らは、改善された真空下で残留ガス分子が存在しないため、望ましくないエッチング効果が抑制されることを発見しました。エッチング効果は非常に速く発生し、そうでなければ単一原子の制御可能な除去が妨げられることになります。

さらに、研究チームは、TEM が中間エネルギーでホウ素と窒素のいずれかの単一空孔を生成できることを発見しました。 ホウ素は質量が低いため80 keV以下のエネルギーではXNUMX倍放出される可能性が高いが、より高いエネルギーでは窒素の方が放出されやすくなり、この空孔が優先的に生成されると研究チームは予測している。 「こうした欠員を生み出すのに、特別なことは何も必要ありません」とスーシ氏は言う。 物理学の世界。 「イメージングに使用される電子は、hBN 格子内の原子をノックアウトするのに十分なエネルギーを持っています。」

研究者らが多くの電子エネルギーにわたって測定を行ったという事実により、欠落した原子がどのように生成されるかについての堅牢な統計を収集することができ、これはTEMを使用して空孔がどのように生成されるかについての将来の理論を開発するのに役立つものとなるでしょう。

ダイヤモンド量子革命

「窒素原子やホウ素原子を追い出すために各エネルギーで材料にどれだけ照射する必要があるかを予測できるようになったので、空孔の望ましい分布を最適化する実験を計画できるようになりました」とスーシ氏は言う。 「私たちはまた、電子ビームを個々の格子サイトに照射することによる原子レベルの操作の先駆者でもあります。

「私たちは以前、六方晶系窒化ホウ素は損傷が早すぎてそのような処理には適さないと考えていました。 今すぐそれを再考する必要があるだろう。」

Susi 氏は、次のステップは hBN を超えて結果を一般化することであると述べています。 「より優れた理論モデルがあれば、ビームが hBN だけでなく、グラフェンやバルクシリコンなどの他の材料とどのように相互作用するかを予測できます。」と彼は言います。

研究者らは自分たちの研究について詳しく説明しています。 S.