Электронный «удар» удаляет отдельные атомы из 2D-материала

Пучок электронов может «выбить» отдельные атомы из двумерного листа гексагонального нитрида бора (hBN) контролируемым образом, вопреки предсказаниям, что облучение электронами будет слишком разрушительным для этой цели. Еще более примечательно то, что физики, стоящие за открытием, предсказывают, что более высокоэнергетическая версия того же метода может преимущественно удалять атомы азота из решетки hBN, что неожиданно, поскольку азот тяжелее бора. Пустое пространство или вакансии, оставленные «недостающими» атомами азота, могут найти применение в квантовых вычислениях, коммуникационных сетях и датчиках.

 Азотные вакансии в hBN обладают оптическими свойствами, которые делают их идеальными для использования в новых квантовых и оптоэлектронных устройствах. Недостатком является то, что их может быть трудно изолировать, но исследователи из Венского университета под руководством физика-экспериментатора Тома Суси теперь нашли способ сделать это, используя метод, называемый сканирующей просвечивающей электронной микроскопией (ПЭМ) с коррекцией аберраций.

 «Просвечивающая электронная микроскопия позволяет нам отображать атомную структуру материалов и особенно хорошо подходит для непосредственного выявления любых дефектов в решетке образца», — объясняет Сузи. «Коррекция аберраций дает нам разрешение для наблюдения за отдельными атомами — это все равно, что использовать очки, чтобы видеть более четко, — но ее также можно использовать для удаления этих атомов».

Раньше измерения ПЭМ обычно проводились в условиях относительно плохого вакуума. В этих условиях молекулы газа, оставшиеся в приборе, могли легко повредить образцы hBN, вытравив атомы в кристаллической решетке материала. Электронный пучок высокой энергии также может повредить образец за счет упругих столкновений с электронами в пучке или электронных возбуждений.

Повреждение решетки значительно снижено

Сузи и его коллеги преодолели эти проблемы, запустив ПЭМ в условиях, близких к сверхвысокому вакууму, и испытав различные энергии электронного пучка в диапазоне от 50 до 90 кэВ. Они обнаружили, что отсутствие молекул остаточного газа в условиях улучшенного вакуума подавляет нежелательные эффекты травления, которые возникают чрезвычайно быстро и в противном случае препятствовали бы контролируемому удалению отдельных атомов.

Более того, команда обнаружила, что ТЕМ может создавать одиночные вакансии бора и азота при промежуточных энергиях. Хотя бор в два раза чаще выбрасывается при энергиях ниже 80 кэВ из-за его меньшей массы, при более высоких энергиях, команда прогнозирует, что азот станет легче выбрасывать, что позволит предпочтительно создать эту вакансию. «Для создания этих вакансий ничего особенного не нужно», — говорит Сьюзи. Мир физики. «Электроны, используемые для визуализации, обладают достаточной энергией, чтобы выбить атомы в решетке hBN».

Тот факт, что исследователи выполнили измерения для многих энергий электронов, позволил им собрать надежную статистику о том, как генерируются недостающие атомы, что будет полезно для разработки будущей теории того, как вакансии могут быть созданы с помощью ПЭМ.

Алмазная квантовая революция

«Теперь, когда мы можем предсказать, сколько нам нужно облучить материал при каждой энергии, чтобы выбить атомы азота или бора, мы можем разработать эксперименты, которые оптимизируют желаемое распределение вакансий», — говорит Сузи. «Мы также стали пионерами в манипулировании на атомном уровне, направляя электронный луч на отдельные узлы решетки.

«Ранее мы думали, что гексагональный нитрид бора слишком быстро повреждается, чтобы его можно было использовать для такой обработки. Теперь нам придется пересмотреть это».

Susi говорит, что следующим шагом будет обобщение результатов за пределы hBN. «С лучшими теоретическими моделями мы могли бы предсказать, как пучок взаимодействует не только с hBN, но потенциально с другими материалами, такими как графен и объемный кремний», — говорит он.

Исследователи подробно описывают свою работу в Мелкие.