Electron 'cú hích' loại bỏ các nguyên tử đơn lẻ khỏi vật liệu 2D – Physics World

Một chùm electron có thể “đá” các nguyên tử đơn lẻ ra khỏi một tấm boron nitride (hBN) hình lục giác hai chiều theo một cách có thể kiểm soát được, bất chấp những dự đoán rằng chiếu xạ electron sẽ quá gây hại cho mục đích này. Đáng chú ý hơn nữa, các nhà vật lý đằng sau khám phá này dự đoán rằng một phiên bản năng lượng cao hơn của cùng một kỹ thuật có thể ưu tiên loại bỏ các nguyên tử nitơ khỏi mạng hBN, điều này thật bất ngờ vì nitơ nặng hơn boron. Những khoảng trống, hay còn gọi là chỗ trống, do các nguyên tử nitơ “mất tích” để lại có thể có ứng dụng trong điện toán lượng tử, mạng truyền thông và cảm biến.

 Các chỗ trống nitơ trong hBN có các đặc tính quang học khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong các thiết bị quang điện tử và lượng tử mới nổi. Nhược điểm là chúng có thể khó phân lập, nhưng các nhà nghiên cứu tại Đại học Vienna do nhà vật lý thực nghiệm Toma Susi dẫn đầu hiện đã tìm ra cách thực hiện bằng kỹ thuật gọi là kính hiển vi điện tử truyền qua quét hiệu chỉnh quang sai (TEM).

 Susi giải thích: “Kính hiển vi điện tử truyền qua cho phép chúng tôi chụp ảnh cấu trúc nguyên tử của vật liệu và nó đặc biệt phù hợp để phát hiện trực tiếp bất kỳ khuyết tật nào trong mạng tinh thể của mẫu. “Tính năng hiệu chỉnh quang sai cung cấp cho chúng tôi độ phân giải để quan sát các nguyên tử đơn lẻ – nó giống như sử dụng kính đeo mắt để nhìn rõ hơn – nhưng nó cũng có thể được sử dụng để loại bỏ các nguyên tử này.”

Trước đây, các phép đo TEM thường được tiến hành trong điều kiện chân không tương đối kém. Trong những trường hợp này, các phân tử khí còn lại trong thiết bị có thể dễ dàng làm hỏng các mẫu hBN bằng cách ăn mòn các nguyên tử trong mạng tinh thể của vật liệu. Chùm điện tử năng lượng cao cũng có thể làm hỏng mẫu do va chạm đàn hồi với các điện tử trong chùm hoặc kích thích điện tử.

Thiệt hại lưới được giảm đáng kể

Susi và các đồng nghiệp đã khắc phục những vấn đề này bằng cách vận hành TEM trong điều kiện chân không cực cao và thử nghiệm các năng lượng chùm tia điện tử khác nhau trong khoảng từ 50 đến 90 keV. Họ phát hiện ra rằng việc thiếu các phân tử khí dư dưới chân không được cải thiện sẽ triệt tiêu các hiệu ứng ăn mòn không mong muốn, xảy ra cực kỳ nhanh và nếu không sẽ ngăn cản việc loại bỏ các nguyên tử đơn lẻ một cách có kiểm soát.

Hơn nữa, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng TEM có thể tạo ra các chỗ trống đơn lẻ của boron và nitơ ở năng lượng trung gian. Mặc dù boron có khả năng bị đẩy ra cao gấp đôi ở mức năng lượng dưới 80 keV do khối lượng của nó thấp hơn, nhưng ở mức năng lượng cao hơn, nhóm nghiên cứu dự đoán rằng nitơ sẽ trở nên dễ dàng bị đẩy ra hơn, do đó cho phép tạo ra chỗ trống này một cách tốt hơn. “Để tạo ra những vị trí tuyển dụng này, không cần có gì đặc biệt,” Susi nói Thế giới vật lý. “Các electron được sử dụng để chụp ảnh có đủ năng lượng để đánh bật các nguyên tử trong mạng hBN.”

Thực tế là các nhà nghiên cứu đã thực hiện các phép đo trên nhiều năng lượng điện tử cho phép họ thu thập số liệu thống kê mạnh mẽ về cách tạo ra các nguyên tử bị thiếu, một điều sẽ hữu ích để phát triển một lý thuyết trong tương lai về cách tạo ra các chỗ trống bằng cách sử dụng TEM.

Cuộc cách mạng lượng tử kim cương

Susi cho biết: “Bây giờ chúng tôi có thể dự đoán mức độ chúng tôi cần chiếu xạ vật liệu ở mỗi năng lượng để loại bỏ các nguyên tử nitơ hoặc boron, chúng tôi có thể thiết kế các thí nghiệm tối ưu hóa sự phân bố mong muốn của các vị trí trống”. “Chúng tôi cũng đã đi tiên phong trong việc thao túng ở cấp độ nguyên tử bằng cách hướng chùm tia điện tử vào các vị trí mạng tinh thể riêng lẻ.

“Trước đây chúng tôi nghĩ rằng boron nitride hình lục giác sẽ hư hỏng quá nhanh để thích hợp cho việc xử lý như vậy. Chúng ta sẽ phải xem xét lại điều đó ngay bây giờ.”

Susi nói rằng bước tiếp theo sẽ là khái quát hóa các kết quả ngoài hBN. Ông nói: “Với các mô hình lý thuyết tốt hơn, chúng tôi có thể dự đoán cách chùm tia tương tác không chỉ với hBN mà còn với các vật liệu tiềm năng khác, chẳng hạn như graphene và silicon khối”.

Các nhà nghiên cứu trình bày chi tiết công việc của họ trong Nhỏ.