电子“踢”从二维材料中去除单个原子 – 物理世界

一束电子可以以可控的方式将单个原子从二维六方氮化硼（hBN）片中“踢”出来，这与电子辐射对此目的破坏性太大的预测相悖。 更值得注意的是，这一发现背后的物理学家预测，同一技术的更高能量版本可以优先从六方氮化硼晶格中去除氮原子，这是出乎意料的，因为氮比硼重。 “缺失”的氮原子留下的空白空间或空位可以在量子计算、通信网络和传感器中得到应用。

 六方氮化硼中的氮空位具有光学特性，使其非常适合用于新兴的量子和光电器件。 缺点是它们很难分离，但实验物理学家 Toma Susi 领导的维也纳大学研究人员现在找到了一种方法，使用一种称为像差校正扫描透射电子显微镜 (TEM) 的技术来分离它们。

 “透射电子显微镜使我们能够对材料的原子结构进行成像，它特别适合直接揭示样品晶格中的任何缺陷，”Susi 解释道。 “像差校正为我们​​提供了观察单个原子的分辨率——就像使用眼镜看得更清楚——但它也可以用来去除这些原子。”

以前，TEM 测量通常在相对较差的真空条件下进行。 在这些情况下，留在仪器中的气体分子很容易通过蚀刻掉材料晶格中的原子来损坏六方氮化硼样品。 高能电子束还会通过与束中电子的弹性碰撞或电子激发来损坏样品。

晶格损伤大大减少

Susi 及其同事通过在近超高真空条件下操作 TEM 并测试 50 至 90 keV 之间的不同电子束能量克服了这些问题。 他们发现，在改进的真空下没有残留气体分子可以抑制不需要的蚀刻效应，蚀刻效应发生得非常快，否则会阻止单个原子被可控地去除。

更重要的是，该团队发现 TEM 可以在中等能量下产生硼和氮的单个空位。 尽管由于质量较低，硼在低于 80 keV 的能量下被喷射的可能性是硼的两倍，但在较高的能量下，该团队预测氮将变得更容易喷射，从而允许优先产生该空位。 “为了创造这些空缺，不需要任何特殊的东西，”苏西告诉 物理世界。 “用于成像的电子有足够的能量来撞击六方氮化硼晶格中的原子。”

研究人员对许多电子能量进行了测量，这一事实使他们能够收集有关缺失原子如何生成的可靠统计数据，这对于开发未来如何使用 TEM 创建空位的理论非常有用。

钻石量子革命

“现在我们能够预测在每种能量下需要多少辐射来去除氮或硼原子，我们可以设计实验来优化所需的空位分布，”苏西说。 “我们还通过将电子束引导到各个晶格位点，开创了原子级操纵的先河。

“我们之前认为六方氮化硼会损坏太快，不适合这种处理。 我们现在必须重新考虑这一点。”

Susi 表示，下一步将是将结果推广到 hBN 之外。 “通过更好的理论模型，我们不仅可以预测光束如何与六方氮化硼相互作用，还可以预测光束如何与石墨烯和块状硅等其他材料相互作用，”他说。

研究人员详细介绍了他们的工作 S小号.