Elektronski udarec odstrani posamezne atome iz 2D materiala – Physics World

Žarek elektronov lahko na nadzorovan način "brcne" posamezne atome iz dvodimenzionalne plošče heksagonalnega borovega nitrida (hBN), s čimer kljubuje napovedim, da bi bilo obsevanje elektronov preveč škodljivo za ta namen. Še bolj presenetljivo je, da fiziki, ki stojijo za odkritjem, napovedujejo, da bi lahko različica iste tehnike z višjo energijo prednostno odstranila atome dušika iz rešetke hBN, kar je nepričakovano, saj je dušik težji od bora. Prazni prostori ali prosta mesta, ki jih pustijo "manjkajoči" atomi dušika, bi lahko imeli aplikacije v kvantnem računalništvu, komunikacijskih omrežjih in senzorjih.

 Prosta mesta dušika v hBN imajo optične lastnosti, zaradi katerih so idealna za uporabo v nastajajočih kvantnih in optoelektronskih napravah. Slaba stran je, da jih je težko izolirati, vendar so raziskovalci na Univerzi na Dunaju pod vodstvom eksperimentalnega fizika Toma Susija zdaj našli način, kako to storiti s tehniko, imenovano skenirajoča transmisijska elektronska mikroskopija (TEM) s popravljeno aberacijo.

 »Transmisijska elektronska mikroskopija nam omogoča slikanje atomske strukture materialov in je še posebej primerna za neposredno odkrivanje kakršnih koli napak v rešetki vzorca,« pojasnjuje Susi. "Korekcija aberacije nam zagotavlja ločljivost za opazovanje posameznih atomov - to je kot uporaba očal, da bi videli bolj jasno - lahko pa se uporabi tudi za odstranitev teh atomov."

Prej so se meritve TEM običajno izvajale v razmeroma slabih vakuumskih pogojih. V teh okoliščinah bi lahko molekule plina, ki so ostale v instrumentu, zlahka poškodovale vzorce hBN z jedkanjem atomov v kristalni mreži materiala. Visokoenergijski elektronski žarek lahko tudi poškoduje vzorec z elastičnimi trki z elektroni v žarku ali elektronskim vzbujanjem.

Poškodbe rešetke so močno zmanjšane

Susi in sodelavci so te težave premagali z delovanjem TEM v pogojih skoraj ultravisokega vakuuma in testiranjem različnih energij elektronskega žarka med 50 in 90 keV. Ugotovili so, da pomanjkanje preostalih molekul plina pod izboljšanim vakuumom zavira neželene učinke jedkanja, ki se pojavijo izjemno hitro in bi sicer preprečili nadzorovano odstranitev posameznih atomov.

Še več, ekipa je ugotovila, da lahko TEM ustvari posamezne proste prostore bora in dušika pri vmesnih energijah. Čeprav je dvakrat večja verjetnost, da bo bor izločen pri energijah pod 80 keV zaradi njegove manjše mase, pri višjih energijah ekipa predvideva, da bo dušik postalo lažje izločiti, kar bo omogočilo prednostno ustvarjanje tega praznega mesta. »Za ustvarjanje teh prostih delovnih mest ni potrebno nič posebnega,« pravi Susi Svet fizike. "Elektroni, ki se uporabljajo za slikanje, imajo dovolj energije, da izločijo atome v rešetki hBN."

Dejstvo, da so raziskovalci izvedli meritve pri številnih energijah elektronov, jim je omogočilo zbiranje zanesljivih statističnih podatkov o tem, kako nastajajo manjkajoči atomi, kar bo koristno za razvoj prihodnje teorije o tem, kako je mogoče ustvariti prosta delovna mesta z uporabo TEM.

Diamantna kvantna revolucija

"Zdaj, ko lahko napovemo, koliko moramo obsevati materiala pri vsaki energiji, da izločimo atome dušika ali bora, lahko načrtujemo poskuse, ki optimizirajo želeno porazdelitev prostih mest," pravi Susi. »Bili smo tudi pionirji manipulacije na atomski ravni z usmerjanjem elektronskega žarka na posamezna mrežna mesta.

»Prej smo mislili, da bi se heksagonalni borov nitrid prehitro poškodoval, da bi bil primeren za takšno obdelavo. To bomo morali zdaj premisliti.”

Susi pravi, da bo naslednji korak posplošitev rezultatov onkraj hBN. "Z boljšimi teoretičnimi modeli bi lahko predvideli, kako žarek medsebojno deluje ne samo s hBN, ampak potencialno z drugimi materiali, kot sta grafen in silicij v razsutem stanju," pravi.

Raziskovalci podrobno opisujejo svoje delo v majhno.