„Lovirea” electronului elimină atomi unici din materialul 2D – Physics World

Un fascicul de electroni poate „elimina” atomi unici dintr-o foaie bidimensională de nitrură de bor hexagonală (hBN) într-un mod controlabil, sfidând predicțiile potrivit cărora iradierea cu electroni ar fi prea dăunătoare pentru acest scop. Chiar și mai remarcabil, fizicienii din spatele descoperirii prevăd că o versiune cu energie mai mare a aceleiași tehnici ar putea elimina de preferință atomii de azot din rețeaua hBN, ceea ce este neașteptat, deoarece azotul este mai greu decât borul. Spațiile goale, sau locurile libere, lăsate în urmă de atomii de azot „lipsă” ar putea avea aplicații în calculul cuantic, rețelele de comunicații și senzorii.

 Locurile de azot libere din hBN au proprietăți optice care le fac ideale pentru utilizarea în dispozitivele cuantice și optoelectronice emergente. Dezavantajul este că pot fi dificil de izolat, dar cercetătorii de la Universitatea din Viena conduși de fizicianul experimental Toma Susi au găsit acum o modalitate de a face acest lucru folosind o tehnică numită microscopie electronică cu transmisie cu scanare corectată în aberație (TEM).

 „Microscopia electronică cu transmisie ne permite să imaginăm structura atomică a materialelor și este deosebit de potrivită pentru a dezvălui în mod direct orice defecte ale rețelei probei”, explică Susi. „Corectarea aberațiilor ne oferă rezoluția de a observa atomi unici – este ca și cum folosim ochelari pentru a vedea mai clar – dar poate fi folosită și pentru a elimina acești atomi.”

Anterior, măsurătorile TEM erau de obicei efectuate în condiții de vid relativ slabe. În aceste circumstanțe, moleculele de gaz care au rămas în instrument ar putea deteriora cu ușurință probele de hBN prin gravarea atomilor din rețeaua cristalină a materialului. Fasciculul de electroni de înaltă energie poate deteriora, de asemenea, proba prin ciocniri elastice cu electronii din fascicul sau excitații electronice.

Daunele rețelei sunt mult reduse

Susi și colegii au depășit aceste probleme prin operarea TEM în condiții de vid aproape ultraînalt și testând diferite energii ale fasciculului de electroni între 50 și 90 keV. Ei au descoperit că lipsa moleculelor de gaz rezidual sub vidul îmbunătățit suprimă efectele nedorite de gravare, care apar extrem de rapid și ar împiedica, altfel, eliminarea controlabilă a atomilor unici.

În plus, echipa a descoperit că TEM ar putea crea locuri libere unice de bor și azot la energii intermediare. Deși borul este de două ori mai probabil să fie ejectat la energii sub 80 keV din cauza masei sale mai mici, la energii mai mari, echipa prezice că azotul va deveni mai ușor de ejectat, permițând astfel crearea preferențială a acestui loc liber. „Pentru a crea aceste posturi vacante, nu este nevoie de nimic special”, spune Susi Lumea fizicii. „Electronii folosiți pentru imagistica au suficientă energie pentru a elimina atomii din rețeaua hBN.”

Faptul că cercetătorii au efectuat măsurători pe mai multe energii de electroni le-a permis să colecteze statistici solide despre modul în care sunt generați atomii lipsă, lucru care va fi util pentru dezvoltarea unei viitoare teorii despre cum pot fi create locurile libere folosind un TEM.

Revoluția cuantică a diamantului

„Acum, că suntem capabili să prezicem cât de mult avem nevoie pentru a iradia materialul la fiecare energie pentru a elimina atomii de azot sau bor, putem proiecta experimente care să optimizeze distribuția dorită a locurilor libere”, spune Susi. „Am fost, de asemenea, pionier în manipularea la nivel atomic prin direcționarea fasciculului de electroni către locații individuale ale rețelei.

„Am crezut anterior că nitrura de bor hexagonală s-ar deteriora prea repede pentru a fi potrivită pentru un astfel de tratament. Va trebui să ne reconsiderăm asta acum.”

Susi spune că următorul pas va fi generalizarea rezultatelor dincolo de hBN. „Cu modele teoretice mai bune, am putea prezice modul în care fasciculul interacționează nu numai cu hBN, ci și cu alte materiale, cum ar fi grafenul și siliciul în vrac”, spune el.

Cercetătorii își detaliază munca în Mic.