Ionenbestraling biedt belofte voor 2D-materiaalonderzoek

Tweedimensionale materialen zoals grafeen beloven de basis te vormen van ongelooflijk kleine en snelle technologieën, maar dit vereist een gedetailleerd begrip van hun elektronische eigenschappen. Nieuw onderzoek toont aan dat snelle elektronische processen kunnen worden onderzocht door de materialen eerst met ionen te bestralen.

Een samenwerking tussen onderzoekers van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign en de Universiteit van Duisburg-Essen heeft aangetoond dat wanneer grafeen wordt bestraald met ionen, of elektrisch geladen atomen, de elektronen die worden uitgeworpen informatie geven over het elektronische gedrag van grafeen.

Bovendien voerde de groep uit Illinois de eerste berekeningen uit met grafeen op hoge temperatuur, en de groep Duisburg-Essen verifieerde de voorspellingen experimenteel door middel van bestraling. Dit onderzoek werd gerapporteerd in het tijdschrift Nano-brieven.

“Het bestralen van materialen en het observeren van de verandering in eigenschappen om af te leiden wat er in het materiaal gebeurt, is een beproefde techniek, maar nu zetten we de eerste stappen in de richting van het gebruik van ionen in plaats van laserlicht voor dat doel”, zegt André Schleife, de groep uit Illinois. hoofd en een professor in materiaalkunde en techniek.

“Het voordeel is dat ionen zeer gelokaliseerde, korte excitaties in het materiaal mogelijk maken in vergelijking met wat laserlicht kan doen. Dit maakt uiterst nauwkeurige onderzoeken mogelijk van hoe grafeen en andere 2D-materialen in de loop van de tijd evolueren.”

Wanneer een ion botst met een 2D-materiaal, wordt energie overgedragen naar zowel de atoomkernen als de elektronen. Sommige elektronen krijgen voldoende energie om uit het materiaal te worden uitgestoten. De kenmerken van deze zogenaamde “secundaire elektronen” worden bepaald door de kenmerken van de elektronen in het materiaal, zoals hun temperatuur en energieverdeling.

“Er is een vertraging tussen de ‘impact’ van het ion en de secundaire elektronenemissie, en dat is het belangrijkste stukje informatie waarnaar we op zoek waren in onze simulaties”, zegt Yifan Yao, hoofdauteur van het onderzoek en een afgestudeerde student in de onderzoeksgroep van Schleife. “We hebben dit gedaan voor grafeen op het absolute nulpunt zonder dat er thermische energie aanwezig is, evenals voor grafeen dat thermische energie en een hogere temperatuur heeft. We zijn eigenlijk de eersten die ‘heet’ grafeen op deze manier simuleren.”

De groep uit Illinois voerde berekeningen uit op basis van grafeen bestraald met waterstofionen (kale protonen) en berekende hoe secundaire elektronen in de loop van de tijd vrijkwamen en het resulterende energiespectrum. Deze resultaten kwamen goed overeen met de resultaten van de Duisburg-Essen-groep waarbij argon- en xenon-ionen werden gebruikt.

Bovendien geeft het computationele onderzoek inzicht in de onderliggende mechanismen van secundaire elektronenemissie. Grafeen bij hoge temperaturen bracht meer secundaire elektronen vrij, en een zorgvuldig onderzoek van de ladingsverdelingen gaf aan dat de atoomkernen in het rooster van het materiaal verantwoordelijk zijn en niet de elektronen van het materiaal.

Volgens Schleife gaat de belofte van deze techniek verder dan nauwkeurige 2D-materiaalmetingen. “Als we jaren in de toekomst kijken, bestaat de mogelijkheid dat ionenbestraling kan worden gebruikt om opzettelijk defecten in materialen te introduceren en deze te manipuleren”, zei hij. “Maar op korte termijn hebben we aangetoond dat bestraling kan worden gebruikt als een uiterst nauwkeurige meettechniek.”