อิเล็กตรอน 'เตะ' ลบอะตอมเดี่ยวออกจากวัสดุ 2 มิติ - โลกฟิสิกส์

ลำแสงอิเล็กตรอนสามารถ "เตะ" อะตอมเดี่ยวออกจากแผ่นหกเหลี่ยมโบรอนไนไตรด์ (hBN) สองมิติด้วยวิธีที่ควบคุมได้ ซึ่งท้าทายการคาดการณ์ว่าการฉายรังสีอิเล็กตรอนจะสร้างความเสียหายมากเกินไปสำหรับจุดประสงค์นี้ ที่น่าทึ่งยิ่งกว่านั้น นักฟิสิกส์ที่อยู่เบื้องหลังการค้นพบนี้คาดการณ์ว่าเทคนิคแบบเดียวกันที่มีพลังงานสูงกว่าสามารถกำจัดอะตอมของไนโตรเจนออกจากโครงตาข่าย hBN ซึ่งเป็นเรื่องที่คาดไม่ถึงเนื่องจากไนโตรเจนหนักกว่าโบรอน พื้นที่ว่างหรือตำแหน่งว่างที่ทิ้งไว้โดยอะตอมไนโตรเจนที่ "หายไป" อาจนำไปใช้ในควอนตัมคอมพิวติ้ง เครือข่ายการสื่อสาร และเซ็นเซอร์

 ตำแหน่งว่างของไนโตรเจนใน hBN มีคุณสมบัติทางแสงที่ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในอุปกรณ์ควอนตัมและอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่เกิดขึ้นใหม่ ข้อเสียคือพวกมันสามารถแยกได้ยาก แต่นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเวียนนาที่นำโดยนักฟิสิกส์เชิงทดลอง Toma Susi ได้ค้นพบวิธีที่จะทำโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดที่แก้ไขความผิดปกติ (TEM)

 "กล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอนแบบส่องผ่านช่วยให้เราสามารถถ่ายภาพโครงสร้างอะตอมของวัสดุได้ และเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเปิดเผยข้อบกพร่องใดๆ ในโครงตาข่ายของตัวอย่างโดยตรง" Susi อธิบาย “การแก้ไขความคลาดเคลื่อนทำให้เรามีความละเอียดในการสังเกตอะตอมเดี่ยว – เหมือนกับการใช้แว่นตาเพื่อให้มองเห็นได้ชัดเจนขึ้น – แต่ก็สามารถใช้เพื่อลบอะตอมเหล่านี้ได้เช่นกัน”

ก่อนหน้านี้ การวัด TEM มักจะดำเนินการภายใต้สภาวะสุญญากาศที่ค่อนข้างต่ำ ในสถานการณ์เหล่านี้ โมเลกุลของก๊าซที่ยังคงอยู่ในเครื่องมืออาจสร้างความเสียหายให้กับตัวอย่าง hBN ได้อย่างง่ายดายโดยการกัดเซาะอะตอมในโครงผลึกของวัสดุ ลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูงยังสามารถสร้างความเสียหายให้กับตัวอย่างได้จากการชนแบบยืดหยุ่นกับอิเล็กตรอนในลำแสงหรือการกระตุ้นแบบอิเล็กทรอนิกส์

ความเสียหายของ Lattice จะลดลงอย่างมาก

Susi และเพื่อนร่วมงานสามารถเอาชนะปัญหาเหล่านี้ได้ด้วยการใช้งาน TEM ในสภาวะใกล้สุญญากาศสูงพิเศษ และทดสอบพลังงานลำแสงอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันระหว่าง 50 ถึง 90 keV พวกเขาพบว่าการไม่มีโมเลกุลของก๊าซตกค้างภายใต้สุญญากาศที่ปรับปรุงใหม่จะยับยั้งผลกระทบจากการกัดที่ไม่ต้องการ ซึ่งเกิดขึ้นเร็วมาก และมิฉะนั้นจะป้องกันไม่ให้อะตอมเดี่ยวถูกกำจัดออกไปอย่างควบคุมได้

ยิ่งไปกว่านั้น ทีมงานพบว่า TEM สามารถสร้างโบรอนและไนโตรเจนเพียงตำแหน่งเดียวที่พลังงานระดับกลาง แม้ว่าโบรอนจะมีความเป็นไปได้สองเท่าที่จะถูกขับออกมาที่พลังงานต่ำกว่า 80 keV เนื่องจากมวลที่ต่ำกว่า แต่ที่พลังงานที่สูงกว่านั้น ทีมงานคาดการณ์ว่าไนโตรเจนจะขับออกได้ง่ายกว่า จึงทำให้ตำแหน่งว่างนี้ถูกสร้างขึ้นเป็นพิเศษ “ในการสร้างตำแหน่งงานว่างเหล่านี้ ไม่จำเป็นต้องมีอะไรพิเศษ” Susi กล่าว โลกฟิสิกส์. “อิเล็กตรอนที่ใช้ในการสร้างภาพมีพลังงานเพียงพอที่จะทำให้อะตอมในโครงตาข่าย hBN แตกออก”

ข้อเท็จจริงที่ว่านักวิจัยทำการตรวจวัดพลังงานอิเล็กตรอนจำนวนมากทำให้พวกเขาสามารถรวบรวมสถิติที่แม่นยำเกี่ยวกับวิธีการสร้างอะตอมที่หายไป ซึ่งเป็นสิ่งที่มีประโยชน์สำหรับการพัฒนาทฤษฎีในอนาคตว่าสามารถสร้างตำแหน่งว่างโดยใช้ TEM ได้อย่างไร

การปฏิวัติควอนตัมเพชร

“ตอนนี้เราสามารถคาดการณ์ได้ว่าเราต้องฉายรังสีวัสดุในปริมาณเท่าใดในแต่ละพลังงานเพื่อขับอะตอมของไนโตรเจนหรือโบรอน เราสามารถออกแบบการทดลองที่เพิ่มประสิทธิภาพการกระจายตำแหน่งงานที่ต้องการ” Susi กล่าว “เรายังเป็นผู้บุกเบิกการจัดการระดับอะตอมด้วยการกำหนดลำแสงอิเล็กตรอนไปยังไซต์แลตทิซแต่ละแห่ง

“ก่อนหน้านี้เราคิดว่าโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยมจะสร้างความเสียหายเร็วเกินไปที่จะเหมาะสมสำหรับการรักษาดังกล่าว เราจะต้องพิจารณากันใหม่ในตอนนี้”

Susi กล่าวว่าขั้นตอนต่อไปคือการสรุปผลลัพธ์ที่นอกเหนือจาก hBN "ด้วยแบบจำลองเชิงทฤษฎีที่ดีกว่า เราสามารถทำนายได้ว่าลำแสงมีปฏิกิริยาอย่างไร ไม่เพียงแต่กับ hBN เท่านั้น แต่ยังรวมถึงวัสดุอื่นๆ เช่น กราฟีนและซิลิคอนจำนวนมาก" เขากล่าว

ผู้วิจัยให้รายละเอียดเกี่ยวกับงานของพวกเขาใน เล็ก.