Single-atoom vacatures in atomair dunne isolatoren gemaakt in ultrahoog vacuüm

Enkele fotonen hebben toepassingen in kwantumberekeningen, informatienetwerken en sensoren, en deze kunnen worden uitgezonden door defecten in de atomair dunne isolator hexagonaal boornitride (hBN). Er is gesuggereerd dat ontbrekende stikstofatomen de atoomstructuur zijn die verantwoordelijk is voor deze activiteit, maar het is moeilijk om ze gecontroleerd te verwijderen. Een team van de Faculteit Natuurkunde van de Universiteit van Wenen heeft nu aangetoond dat afzonderlijke atomen eruit kunnen worden gegooid met behulp van een scanning-transmissie-elektronenmicroscoop onder ultrahoog vacuüm. De resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Klein.

Transmissie-elektronenmicroscopie stelt ons in staat om de atomaire structuur van materialen te zien, en het is bijzonder geschikt om eventuele defecten in het rooster van het monster direct aan het licht te brengen, wat schadelijk of nuttig kan zijn, afhankelijk van de toepassing. De energetische elektronenbundel kan de structuur echter ook beschadigen, hetzij door elastische botsingen of elektronische excitaties, hetzij door een combinatie van beide. Bovendien kunnen eventuele gassen die achterblijven in het vacuüm van het instrument bijdragen aan schade, waarbij gedissocieerde gasmoleculen atomen van het rooster kunnen wegetsen. Tot nu toe werden transmissie-elektronenmicroscopiemetingen van hBN uitgevoerd bij relatief slechte vacuümomstandigheden, wat tot snelle schade leidde. Vanwege deze beperking is het niet duidelijk of vacatures – enkele ontbrekende atomen – controleerbaar kunnen worden gecreëerd.

Aan de Universiteit van Wenen is het creëren van enkele atomaire vacatures nu bereikt met behulp van aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscopie in bijna ultrahoog vacuüm. Het materiaal werd bestraald met een reeks elektronenstraalenergieën, wat de gemeten schadesnelheid beïnvloedt. Bij lage energieën is de schade aanzienlijk langzamer dan eerder gemeten onder slechtere restvacuümomstandigheden. Enkele boor- en stikstofvacatures kunnen worden gecreëerd bij tussenliggende elektronenenergieën, en boor wordt twee keer zo vaak uitgeworpen vanwege de lagere massa. Hoewel atomair nauwkeurige metingen niet haalbaar zijn bij de hogere energieën die eerder werden gebruikt om hBN afzonderlijke fotonen te laten uitzenden, voorspellen de resultaten dat stikstof op zijn beurt gemakkelijker wordt uitgeworpen, waardoor deze glanzende vacatures bij voorkeur kunnen worden gecreëerd.

Robuuste statistieken verzameld door nauwgezet experimenteel werk in combinatie met nieuwe theoretische modellen waren essentieel om tot deze conclusies te komen. Hoofdauteur Thuy An Bui werkt sinds haar masterscriptie aan het project. “Bij elke elektronenenergie moest ik vele dagen achter de microscoop doorbrengen om zorgvuldig de ene reeks gegevens na de andere te verzamelen”, zegt ze. “Toen de gegevens eenmaal waren verzameld, gebruikten we machine learning om deze nauwkeurig te analyseren, hoewel zelfs dit veel werk kostte.”

Senior auteur Toma Susi voegt eraan toe: “Om het schademechanisme te begrijpen, hebben we een benaderend model gemaakt dat ionisatie combineert met domino-schade. Hierdoor konden we extrapoleren naar hogere energieën en een nieuw licht werpen op het ontstaan ​​van defecten.”

Ondanks zijn isolerende aard laten de resultaten zien dat eenlaags hexagonaal boornitride verrassend stabiel is onder elektronenbestraling wanneer chemisch etsen kan worden voorkomen. In de toekomst kan het mogelijk zijn om elektronenbestraling te gebruiken om doelbewust specifieke vacatures te creëren die enkele fotonen van licht uitzenden door selectief de gewenste roosterplaatsen te bestralen met een gefocusseerde elektronensonde. Nieuwe mogelijkheden voor atomair nauwkeurige manipulatie, tot nu toe aangetoond voor onzuiverheidsatomen in grafeen en in bulksilicium, kunnen ook worden ontdekt.