„Kopnięcie” elektronu usuwa pojedyncze atomy z materiału 2D – Physics World

Wiązka elektronów może „wykopać” pojedyncze atomy z dwuwymiarowej warstwy heksagonalnego azotku boru (hBN) w kontrolowany sposób, wbrew przewidywaniom, że napromieniowanie elektronami byłoby zbyt szkodliwe dla tego celu. Co jeszcze bardziej niezwykłe, fizycy stojący za odkryciem przewidują, że wersja tej samej techniki o wyższej energii mogłaby preferencyjnie usuwać atomy azotu z sieci hBN, co jest nieoczekiwane, ponieważ azot jest cięższy od boru. Puste przestrzenie pozostawione przez „brakujące” atomy azotu mogą znaleźć zastosowanie w obliczeniach kwantowych, sieciach komunikacyjnych i czujnikach.

 Wolne miejsca azotu w hBN mają właściwości optyczne, które czynią je idealnymi do wykorzystania w powstających urządzeniach kwantowych i optoelektronicznych. Wadą jest to, że mogą być trudne do wyizolowania, ale naukowcy z Uniwersytetu Wiedeńskiego pod kierownictwem fizyka eksperymentalnego Toma Susi znaleźli teraz sposób, aby to zrobić, używając techniki zwanej skaningową transmisyjną mikroskopią elektronową (TEM) z korekcją aberracji.

 „Transmisyjna mikroskopia elektronowa pozwala nam obrazować strukturę atomową materiałów i szczególnie dobrze nadaje się do bezpośredniego wykrywania wszelkich defektów w sieci próbki” — wyjaśnia Susi. „Korekcja aberracji zapewnia nam rozdzielczość umożliwiającą obserwację pojedynczych atomów – to tak, jakby używać okularów, aby widzieć wyraźniej – ale można jej również użyć do usunięcia tych atomów”.

Wcześniej pomiary TEM były zwykle przeprowadzane w stosunkowo złych warunkach próżniowych. W takich okolicznościach cząsteczki gazu, które pozostały w instrumencie, mogłyby z łatwością uszkodzić próbki hBN poprzez wytrawienie atomów w sieci krystalicznej materiału. Wiązka elektronów o wysokiej energii może również uszkodzić próbkę poprzez zderzenia sprężyste z elektronami w wiązce lub wzbudzenia elektroniczne.

Uszkodzenia kraty są znacznie zmniejszone

Susi i współpracownicy przezwyciężyli te problemy, operując TEM w warunkach bliskiej ultrawysokiej próżni i testując różne energie wiązki elektronów między 50 a 90 keV. Odkryli, że brak resztkowych cząsteczek gazu w ulepszonej próżni tłumi niepożądane efekty trawienia, które występują niezwykle szybko i w przeciwnym razie uniemożliwiłyby kontrolowane usuwanie pojedynczych atomów.

Co więcej, zespół odkrył, że TEM może tworzyć pojedyncze wakaty boru i azotu przy pośrednich energiach. Chociaż prawdopodobieństwo wyrzucenia boru przy energiach poniżej 80 keV jest dwa razy większe ze względu na jego mniejszą masę, zespół przewiduje, że azot będzie łatwiej wyrzucany, co pozwoli na preferencyjne utworzenie tego wakatu. „Aby utworzyć te wakaty, nie potrzeba nic specjalnego” — mówi Susi Świat Fizyki. „Elektry użyte do obrazowania mają wystarczającą energię, aby wybić atomy w sieci hBN”.

Fakt, że naukowcy przeprowadzili pomiary wielu energii elektronów, pozwolił im zebrać solidne statystyki dotyczące sposobu generowania brakujących atomów, co będzie przydatne do opracowania przyszłej teorii dotyczącej tworzenia wolnych miejsc za pomocą TEM.

Diamentowa rewolucja kwantowa

„Teraz, gdy jesteśmy w stanie przewidzieć, ile musimy napromieniować materiał przy każdej energii, aby wyrzucić atomy azotu lub boru, możemy zaprojektować eksperymenty, które zoptymalizują pożądany rozkład wakatów” – mówi Susi. „Byliśmy również pionierami manipulacji na poziomie atomowym, kierując wiązkę elektronów na poszczególne miejsca sieci.

„Wcześniej myśleliśmy, że heksagonalny azotek boru ulegnie uszkodzeniu zbyt szybko, aby nadawał się do takiego leczenia. Teraz będziemy musieli to przemyśleć”.

Susi mówi, że następnym krokiem będzie uogólnienie wyników poza hBN. „Dzięki lepszym modelom teoretycznym moglibyśmy przewidzieć, w jaki sposób wiązka oddziałuje nie tylko z hBN, ale potencjalnie z innymi materiałami, takimi jak grafen i krzem luzem” – mówi.

Naukowcy szczegółowo opisują swoją pracę w Mały.