Sterk geladen ionen smelten nano-goudklompjes

Normaal gesproken moeten we in de natuurkunde een keuze maken: ofwel hebben we te maken met grote dingen, zoals een metalen plaat en zijn materiaaleigenschappen, of met kleine dingen, zoals individuele atomen. Maar er is ook een tussenwereld: de wereld van kleine maar nog niet kleine dingen, waarin zowel effecten van de macroscopische wereld als effecten van de microscopische wereld een rol spelen.

De experimenten van de TU Wien vinden plaats in deze ingewikkelde tussenwereld: extreem kleine stukjes goud, bestaande uit enkele duizenden atomen en met een diameter in de orde van tien nanometer, worden gebombardeerd met hooggeladen ionen. Hierdoor is het mogelijk om de vorm en grootte van deze goudstukken gericht te veranderen. De resultaten laten zien: wat er tijdens het proces gebeurt, kan niet eenvoudig worden voorgesteld als de impact van een golfbal in een zandbunker – de interactie van ion en goudstuk is veel subtieler.

Energie overgedragen door ionenbombardement

“We werken met meervoudig geïoniseerde xenonatomen. Er worden tot 40 elektronen uit deze atomen verwijderd, dus ze zijn sterk elektrisch geladen”, zegt prof. Richard Wilhelm van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde aan de TU Wien. Deze hooggeladen ionen raken vervolgens kleine gouden eilandjes die op een isolerend substraat zijn geplaatst – en dan kunnen er verschillende dingen gebeuren: de goudeilandjes kunnen platter worden, ze kunnen smelten, ze kunnen zelfs verdampen.

“Afhankelijk van hoe sterk onze ionen elektrisch geladen zijn, kunnen we verschillende effecten veroorzaken”, zegt Gabriel Szabo, eerste auteur van de huidige studie, die momenteel aan zijn proefschrift werkt in het team van Richard Wilhelm.

De hooggeladen ionen raken de kleine goudklompjes met verhoogde snelheid – met ongeveer 500 kilometer per seconde. Toch is het opvallend genoeg niet de kracht van de inslag die de gouden eilanden verandert. Het proces is totaal anders dan de impact van een golfbal in een hoop zand, of de accidentele impact van een tennisbal in een mooi versierde verjaardagstaart.

“Als je met dezelfde kinetische energie ongeladen xenonatomen op de goudeilanden schiet, blijven de goudeilanden praktisch onveranderd”, zegt Gabriel Szabo. “Dus de beslissende factor is niet de kinetische energie, maar de elektrische lading van de ionen. Deze lading draagt ​​ook energie en wordt precies op het punt van impact afgezet.”

Wijzigingen in de elektronische structuur

Zodra de extreem sterk positief geladen ionen het nano-goudstuk raken, rukken ze elektronen weg van het goud. In een groot stuk goud zou dit geen significant effect hebben: goud is een uitstekende geleider, de elektronen kunnen vrij bewegen en er zouden meer elektronen worden aangevoerd vanuit andere delen van de goudklomp.

Maar de nano-goudstructuren zijn zo klein dat ze niet langer als een onuitputtelijk reservoir van elektronen kunnen worden beschouwd. Precies hier betreedt men de tussenwereld tussen macroscopisch metaal en kleine atomaire clusters en hun eigenschappen op nanoschaal.

“De ladingsenergie van het inslaande ion wordt overgedragen op het goud, waardoor de elektronische structuur van het hele nano-goudobject volledig uit balans raakt, de atomen beginnen te bewegen en de kristalstructuur van het goud wordt vernietigd”, legt Richard uit. Wilhelm. “Afhankelijk van hoeveel energie je deponeert, kan het zelfs gebeuren dat het hele nano-goudstuk smelt of verdampt.”

De effecten van het ionenbombardement kunnen vervolgens worden bestudeerd in een atoomkrachtmicroscoop: afhankelijk van de lading van de ionen wordt de hoogte van de goudstukken in meer of mindere mate verminderd, meldt Gabriel Szabo: “Net zoals onze modellen dat ook hadden gedaan voorspeld, kunnen we de impact van de ionen op het goud beheersen – en niet door de snelheid waarmee we onze projectielen geven, maar door hun lading.”

Verbeterde controle en een beter begrip van dergelijke processen is belangrijk voor het maken van een grote verscheidenheid aan nanostructuren. “Het is een techniek waarmee je de geometrie van bijzonder kleine structuren selectief kunt bewerken. Dat is net zo interessant voor het maken van micro-elektronische componenten als voor zogenaamde quantum dots – kleine structuren die zeer specifieke elektronische of optische effecten op maat mogelijk maken. vanwege hun kwantumfysische eigenschappen’, zegt Richard Wilhelm.

En het is een ander inzicht in de wereld van kleine maar nog niet kleine dingen – in de veelzijdige tussenwereld tussen kwantumfysica en vaste-stoffysica, die alleen kan worden begrepen door tegelijkertijd kwantum- en veeldeeltjesfenomenen in gedachten te houden.

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Klein.