Електронний «удар» видаляє окремі атоми з двовимірного матеріалу – Physics World

Пучок електронів може «виштовхнути» окремі атоми з двовимірного шару гексагонального нітриду бору (hBN) керованим способом, незважаючи на прогнози, що опромінення електронами буде занадто шкідливим для цієї мети. Ще більш примітно те, що фізики, які стоять за відкриттям, передбачають, що версія тієї ж методики з більшою енергією може переважно видалити атоми азоту з решітки hBN, що є несподіваним, оскільки азот важчий за бор. Порожні місця або вакансії, залишені «відсутніми» атомами азоту, можуть мати застосування в квантових обчисленнях, комунікаційних мережах і датчиках.

 Вакансії азоту в hBN мають оптичні властивості, які роблять їх ідеальними для використання в нових квантових і оптоелектронних пристроях. Недоліком є ​​те, що їх важко виділити, але дослідники з Віденського університету під керівництвом фізика-експериментатора Тома Сузі знайшли спосіб зробити це за допомогою техніки, яка називається просвічуюча скануюча електронна мікроскопія (ТЕМ) з корекцією аберацій.

 «Просвічуюча електронна мікроскопія дозволяє нам зобразити атомну структуру матеріалів і особливо добре підходить для безпосереднього виявлення будь-яких дефектів у решітці зразка», — пояснює Сузі. «Корекція аберації дає нам роздільну здатність спостерігати за окремими атомами — це як використовувати окуляри, щоб бачити чіткіше — але її також можна використовувати для видалення цих атомів».

Раніше вимірювання ТЕМ зазвичай проводилися в умовах відносно поганого вакууму. За цих обставин молекули газу, які залишилися в приладі, могли легко пошкодити зразки hBN, витравивши атоми в кристалічній решітці матеріалу. Електронний промінь високої енергії також може пошкодити зразок через пружні зіткнення з електронами в пучку або електронні збудження.

Пошкодження решітки значно зменшено

Сузі та його колеги подолали ці проблеми, задіявши ТЕМ в умовах майже надвисокого вакууму та випробовуючи різні енергії електронного пучка від 50 до 90 кеВ. Вони виявили, що відсутність залишкових молекул газу під покращеним вакуумом пригнічує небажані ефекти травлення, які виникають надзвичайно швидко та в іншому випадку перешкоджали б контрольованому видаленню окремих атомів.

Більше того, команда виявила, що ТЕМ може створювати окремі вакансії бору та азоту при проміжних енергіях. Хоча бор вдвічі частіше викидається при енергіях нижче 80 кеВ через його меншу масу, при вищих енергіях команда передбачає, що азот стане легше викидати, таким чином дозволяючи створювати цю вакансію. «Щоб створити ці вакансії, нічого особливого не потрібно», — розповідає Сузі Світ фізики. «Електрони, які використовуються для візуалізації, мають достатньо енергії, щоб вибити атоми в ґратці hBN».

Той факт, що дослідники проводили вимірювання багатьох енергій електронів, дозволив їм зібрати надійну статистику про те, як генеруються відсутні атоми, що буде корисно для розробки майбутньої теорії того, як вакансії можуть бути створені за допомогою ТЕМ.

Алмазна квантова революція

«Тепер, коли ми можемо передбачити, скільки нам потрібно опромінити матеріал при кожній енергії, щоб викинути атоми азоту або бору, ми можемо розробити експерименти, які оптимізують бажаний розподіл вакансій», — говорить Сузі. «Ми також започаткували маніпуляції на атомному рівні, спрямувавши електронний промінь на окремі вузли решітки.

«Раніше ми вважали, що гексагональний нітрид бору пошкоджується занадто швидко, щоб бути придатним для такої обробки. Тепер нам доведеться це переглянути».

Сузі каже, що наступним кроком буде узагальнення результатів за межами hBN. «З кращими теоретичними моделями ми могли б передбачити, як промінь взаємодіє не тільки з hBN, але й потенційно з іншими матеріалами, такими як графен і масивний кремній», — говорить він.

Дослідники детально описують свою роботу невеликий.