Elektron "kick" tar bort enstaka atomer från 2D-material – Physics World

En elektronstråle kan "sparka" enstaka atomer ur ett tvådimensionellt ark av hexagonal bornitrid (hBN) på ett kontrollerbart sätt, vilket trotsar förutsägelser om att elektronbestrålning skulle vara för skadlig för detta ändamål. Ännu mer anmärkningsvärt är att fysikerna bakom upptäckten förutspår att en version med högre energi av samma teknik företrädesvis skulle kunna ta bort kväveatomer från hBN-gittret, vilket är oväntat eftersom kväve är tyngre än bor. De tomma utrymmen, eller vakanser, som lämnas kvar av de "saknade" kväveatomerna kan ha tillämpningar inom kvantberäkningar, kommunikationsnätverk och sensorer.

 Vakanser för kväve i hBN har optiska egenskaper som gör dem idealiska för användning i nya kvant- och optoelektroniska enheter. Nackdelen är att de kan vara svåra att isolera, men forskare vid universitetet i Wien under ledning av experimentfysikern Toma Susi har nu hittat ett sätt att göra det med en teknik som kallas aberrationskorrigerad scanning transmission elektronmikroskopi (TEM).

 "Transmissionselektronmikroskopi tillåter oss att avbilda atomstrukturen hos material och den är särskilt väl lämpad för att direkt avslöja eventuella defekter i provets gitter", förklarar Susi. "Aberrationskorrigering ger oss upplösningen att observera enskilda atomer - det är som att använda glasögon för att se tydligare - men det kan också användas för att ta bort dessa atomer."

Tidigare utfördes TEM-mätningar vanligtvis under relativt dåliga vakuumförhållanden. Under dessa omständigheter kan gasmolekylerna som finns kvar i instrumentet lätt skada hBN-prover genom att etsa bort atomer i materialets kristallina gitter. Den högenergiska elektronstrålen kan också skada provet via elastiska kollisioner med elektronerna i strålen eller elektroniska excitationer.

Gallerskador minskar kraftigt

Susi och kollegor övervann dessa problem genom att använda TEM i nära ultrahögt vakuum och testa olika elektronstråleenergier mellan 50 och 90 keV. De fann att avsaknaden av kvarvarande gasmolekyler under det förbättrade vakuumet undertrycker oönskade etsningseffekter, som inträffar extremt snabbt och annars skulle förhindra att enstaka atomer kontrolleras avlägsnas.

Dessutom fann teamet att TEM kunde skapa enstaka vakanser av antingen bor och kväve vid mellanliggande energier. Även om det är dubbelt så stor sannolikhet att bor sprutas ut vid energier under 80 keV på grund av dess lägre massa, vid högre energier, förutspår teamet att kväve kommer att bli lättare att spruta ut, vilket gör att denna vakans företrädesvis kan skapas. – För att skapa de här lediga jobben behövs inget speciellt, säger Susi Fysikvärlden. "Elektronerna som används för avbildning har tillräckligt med energi för att slå ut atomer i hBN-gittret."

Det faktum att forskarna utförde mätningar över många elektronenergier gjorde att de kunde samla in robust statistik om hur de saknade atomerna genereras, något som kommer att vara användbart för att utveckla en framtida teori för hur vakanser kan skapas med hjälp av en TEM.

Diamantkvantrevolutionen

"Nu när vi kan förutsäga hur mycket vi behöver för att bestråla materialet vid varje energi för att sparka ut kväve- eller boratomer, kan vi designa experiment som optimerar den önskade fördelningen av vakanser", säger Susi. "Vi har också banat väg för manipulation på atomnivå genom att rikta elektronstrålen mot individuella gitterplatser.

”Vi trodde tidigare att hexagonal bornitrid skulle skadas för snabbt för att vara lämplig för sådan behandling. Vi måste ompröva det nu."

Susi säger att nästa steg blir att generalisera resultaten bortom hBN. "Med bättre teoretiska modeller kan vi förutsäga hur strålen interagerar inte bara med hBN utan potentiellt andra material, som grafen och bulkkisel", säger han.

Forskarna beskriver sitt arbete Små.