Electron 'kick' verwijdert enkele atomen uit 2D-materiaal - Physics World

Een elektronenbundel kan afzonderlijke atomen op een controleerbare manier uit een tweedimensionaal vel hexagonaal boornitride (hBN) 'schoppen', wat de voorspellingen tart dat elektronenbestraling voor dit doel te schadelijk zou zijn. Nog opmerkelijker is dat de natuurkundigen achter de ontdekking voorspellen dat een versie met hogere energie van dezelfde techniek bij voorkeur stikstofatomen uit het hBN-rooster zou kunnen verwijderen, wat onverwacht is omdat stikstof zwaarder is dan boor. De lege ruimtes, of vacatures, achtergelaten door de ‘ontbrekende’ stikstofatomen kunnen toepassingen hebben in quantum computing, communicatienetwerken en sensoren.

 Stikstofvacatures in hBN hebben optische eigenschappen die ze ideaal maken voor gebruik in opkomende kwantum- en opto-elektronische apparaten. Het nadeel is dat ze moeilijk te isoleren kunnen zijn, maar onderzoekers van de Universiteit van Wenen onder leiding van experimenteel natuurkundige Toma Susi hebben nu een manier gevonden om dit te doen met behulp van een techniek die aberratie-gecorrigeerde scanning-transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) wordt genoemd.

 “Transmissie-elektronenmicroscopie stelt ons in staat de atomaire structuur van materialen in beeld te brengen en is bijzonder geschikt om eventuele defecten in het rooster van het monster direct aan het licht te brengen”, legt Susi uit. “Aberratiecorrectie biedt ons de resolutie om afzonderlijke atomen waar te nemen – het is alsof je een bril gebruikt om duidelijker te zien – maar het kan ook worden gebruikt om deze atomen te verwijderen.”

Voorheen werden TEM-metingen meestal uitgevoerd onder relatief slechte vacuümomstandigheden. Onder deze omstandigheden zouden de gasmoleculen die in het instrument achterbleven gemakkelijk hBN-monsters kunnen beschadigen door atomen in het kristallijne rooster van het materiaal weg te etsen. De hoogenergetische elektronenbundel kan het monster ook beschadigen via elastische botsingen met de elektronen in de bundel of elektronische excitaties.

Roosterschade wordt sterk verminderd

Susi en collega's hebben deze problemen overwonnen door de TEM in bijna ultrahoogvacuümomstandigheden te gebruiken en verschillende elektronenbundelenergieën tussen 50 en 90 keV te testen. Ze ontdekten dat het ontbreken van resterende gasmoleculen onder het verbeterde vacuüm ongewenste etseffecten onderdrukt, die extreem snel optreden en anders zouden voorkomen dat afzonderlijke atomen controleerbaar worden verwijderd.

Bovendien ontdekte het team dat de TEM afzonderlijke vacatures voor boor en stikstof bij tussenliggende energieën kon creëren. Hoewel het vanwege de lagere massa twee keer zo waarschijnlijk is dat boor wordt uitgestoten bij energieën onder de 80 keV, voorspelt het team dat stikstof bij hogere energieën gemakkelijker kan worden uitgeworpen, waardoor deze vacature bij voorkeur kan worden gecreëerd. “Om deze vacatures te creëren is er niets bijzonders nodig”, vertelt Susi Natuurkunde wereld. “De elektronen die voor beeldvorming worden gebruikt, hebben genoeg energie om atomen in het hBN-rooster uit te schakelen.”

Het feit dat de onderzoekers metingen uitvoerden over veel elektronenenergieën stelde hen in staat robuuste statistieken te verzamelen over hoe de ontbrekende atomen worden gegenereerd, iets dat nuttig zal zijn voor het ontwikkelen van een toekomstige theorie over hoe vacatures kunnen worden gecreëerd met behulp van een TEM.

De diamant kwantumrevolutie

“Nu we kunnen voorspellen hoeveel we het materiaal bij elke energie moeten bestralen om stikstof- of booratomen te verwijderen, kunnen we experimenten ontwerpen die de gewenste verdeling van vacatures optimaliseren”, zegt Susi. “We hebben ook pionierswerk verricht op het gebied van manipulatie op atomair niveau door de elektronenbundel op individuele roosterlocaties te richten.

“We dachten eerder dat hexagonaal boornitride te snel zou beschadigen om geschikt te zijn voor een dergelijke behandeling. Dat zullen we nu moeten heroverwegen.”

Susi zegt dat de volgende stap zal zijn om de resultaten buiten hBN te generaliseren. “Met betere theoretische modellen zouden we kunnen voorspellen hoe de straal niet alleen interageert met hBN, maar mogelijk ook met andere materialen, zoals grafeen en bulk-silicium”, zegt hij.

De onderzoekers beschrijven hun werk in Kleine.