Hoe je projectielen door materialen heen schiet zonder iets te breken

Wanneer geladen deeltjes door ultradunne materiaallagen worden geschoten, treden soms spectaculaire micro-explosies op en soms blijft het materiaal vrijwel intact. De redenen hiervoor zijn nu verklaard door onderzoekers van de TU Wien.

Het klinkt een beetje als een goocheltruc: sommige materialen kunnen met snelle, elektrisch geladen ionen worden doorgeschoten zonder dat er daarna gaten ontstaan. Wat op macroscopisch niveau onmogelijk zou zijn, is toegestaan ​​op het niveau van individuele deeltjes. Niet alle materialen gedragen zich echter hetzelfde in dergelijke situaties – de afgelopen jaren hebben verschillende onderzoeksgroepen experimenten uitgevoerd met zeer verschillende resultaten.

Aan de TU Wien (Wenen, Oostenrijk) is nu een gedetailleerde verklaring gevonden waarom sommige materialen geperforeerd zijn en andere niet. Dat is bijvoorbeeld interessant voor de verwerking van dunne membranen, die op maat gemaakte nanoporiën zouden moeten hebben om daar heel specifieke atomen of moleculen in te vangen, vast te houden of door te laten.

Ultradunne materialen: grafeen en zijn soortgenoten

“Tegenwoordig is er een hele reeks ultradunne materialen die uit slechts één of enkele atomaire lagen bestaan”, zegt prof. Christoph Lemell van het Instituut voor Theoretische Fysica aan de TU Wien. “Waarschijnlijk de bekendste hiervan is grafeen, een materiaal gemaakt van een enkele laag koolstofatomen. Maar er wordt tegenwoordig ook onderzoek gedaan naar andere ultradunne materialen over de hele wereld, zoals molybdeendisulfide.”

In de onderzoeksgroep van prof. Friedrich Aumayr aan het Instituut voor Technische Natuurkunde aan de TU Wien worden dergelijke materialen gebombardeerd met zeer speciale projectielen – sterk geladen ionen. Ze nemen atomen, meestal edelgassen zoals xenon, en ontdoen ze van een groot aantal elektronen. Hierdoor ontstaan ​​ionen met 30 tot 40 keer de elektrische lading. Deze ionen worden versneld en raken vervolgens met hoge energie de dunne laag materiaal.

“Dit resulteert in totaal verschillende effecten afhankelijk van het materiaal”, zegt Anna Niggas, een experimenteel natuurkundige aan het Instituut voor Technische Natuurkunde. “Soms dringt het projectiel de materiaallaag binnen zonder dat er merkbare verandering in het materiaal optreedt. de inslagplaats wordt ook volledig vernietigd, talloze atomen worden losgemaakt en er ontstaat een gat met een diameter van enkele nanometers.”

De snelheid van de elektronen

Deze verschillen kunnen worden verklaard door het feit dat niet het momentum van het projectiel voornamelijk verantwoordelijk is voor de gaten, maar de elektrische lading ervan. Wanneer een ion met meerdere positieve ladingen de materiaallaag raakt, trekt het een grotere hoeveelheid elektronen aan en neemt deze mee. Dit laat een positief geladen gebied achter in de materiaallaag.

Welk effect dit heeft, hangt af van hoe snel elektronen in dit materiaal kunnen bewegen. “Grafeen heeft een extreem hoge elektronenmobiliteit, dus deze lokale positieve lading kan daar in korte tijd in evenwicht worden gebracht. Elektronen stromen gewoon van elders naar binnen”, legt Christoph Lemell uit.

Bij andere materialen zoals molybdeendisulfide ligt het echter anders: daar zijn de elektronen langzamer, ze kunnen niet tijdig van buitenaf naar de plaats van inslag worden aangevoerd. En dus vindt er een mini-explosie plaats op de plaats van inslag: de positief geladen atomen, waaruit het projectiel hun elektronen heeft gehaald, stoten elkaar af, ze vliegen weg – en dit creëert een porie van nanoformaat.

“We hebben nu een model kunnen ontwikkelen waarmee we heel goed kunnen inschatten in welke situaties gaten worden gevormd en waarin niet – en dit hangt af van de elektronenmobiliteit in het materiaal en de ladingstoestand van het projectiel”, zegt Alexander Sagar Grossek, eerste auteur van de publicatie in het tijdschrift Nano-brieven.

Het model verklaart ook het verrassende feit dat de atomen die uit het materiaal worden geslagen relatief langzaam bewegen: de hoge snelheid van het projectiel maakt hen niet uit; ze worden pas door elektrische afstoting uit het materiaal verwijderd nadat het projectiel al door de materiaallaag is gegaan. En in dit proces wordt niet alle energie van de elektrische afstoting overgebracht naar de gesputterde atomen – een groot deel van de energie wordt geabsorbeerd in het resterende materiaal in de vorm van trillingen of warmte.

Zowel de experimenten als de simulaties werden uitgevoerd aan de TU Wien. Het resulterende diepere begrip van atomaire oppervlakteprocessen kan bijvoorbeeld worden gebruikt om membranen specifiek uit te rusten met op maat gemaakte “nanoporiën”. Men zou bijvoorbeeld een “moleculaire zeef” kunnen bouwen of bepaalde atomen op een gecontroleerde manier kunnen vasthouden. Er zijn zelfs gedachten om dergelijke materialen te gebruiken om CO te filteren₂ van de lucht. “Door onze bevindingen hebben we nu nauwkeurige controle over de manipulatie van materialen op nanoschaal. Dit biedt voor het eerst een geheel nieuw hulpmiddel om ultradunne films op een precies berekenbare manier te manipuleren”, zegt Alexander Sagar Grossek.