Hvordan ioner får deres elektroner tilbage

Hvad sker der, når ioner passerer gennem faste materialer? Det er næsten umuligt at observere dette direkte, men forskere ved TU Wien fandt en måde at overvinde dette problem på.

Meget usædvanlige atomtilstande produceres på TU Wien:Ioner dannes ved at fjerne ikke bare én, men 20 til 40 elektroner fra hvert atom. Disse "stærkt ladede ioner" spiller en vigtig rolle i aktuel forskning.

I lang tid, mennesker har undersøgt, hvad der sker, når så højt ladede ioner rammer faste materialer. Dette er vigtigt for mange anvendelsesområder inden for materialeforskning. Derfor er det afgørende at vide, hvordan ionernes ladningstilstand ændres, når de trænger ind i et materiale - men det er præcis det, der har været umuligt at observere direkte indtil nu. Nye målinger på TU Wien (Wien) viser, at ionerne overholder bemærkelsesværdigt simple love.

Undersøgelse af materialer lag for lag

Når stærkt ladede ioner trænger ind i et fast materiale, de kan hente de manglende elektroner fra materialet og dermed blive elektrisk neutrale. Men hvordan og hvor dette sker præcist, er svært at undersøge, fordi det sker inde i materialet.

"Vi vidste, at denne proces skulle være meget hurtig, fordi selv et ret tyndt lag materiale er nok til helt at neutralisere ioner, "siger Anna Niggas, første forfatter til denne undersøgelse. Hun arbejder i øjeblikket på sin afhandling i prof. Richard Wilhelms gruppe ved Institute of Applied Physics ved TU Wien.

Visuelt at observere processerne inde i materialet kan være næsten umuligt, men nye 2D -materialer såsom grafen, som kun består af et enkelt lag carbonatomer, giv nu forskere en chance for at komme til bunds i disse fænomener for første gang:"Grafenlag kan stables oven på hinanden, så der bliver skabt tykkere og tykkere prøver - du kan samle et solidt legeme lag for lag, "siger Richard Wilhelm." Vi har studeret single, dobbelt og tredobbelt grafenlag. Den vej, vi kan se trin for trin, atomlag for atomlag, hvordan de højt ladede ioner ændrer sig. "

På denne måde, du kan studere en overgang, fra et enkelt atomlag til et almindeligt tredimensionelt materiale. Grafit, materialet blyantledninger er lavet af, er intet mere end et stort antal grafenlag stablet oven på hinanden.

Det er tiden, der betyder noget

Ionerne går gennem de forskellige kulstoflag med forskellige hastigheder. Det viser sig, at den afgørende faktor er den tid, projektilet tilbringer i umiddelbar nærhed af atomlagene. "Hvis vi tager i betragtning, at ionerne bruger to eller tre gange så lang tid i kontakt med carbonatomer på vej gennem to eller tre grafenlag, som de gør i et enkelt grafenlag, så kan det forklares med en simpel formel, hvor hurtigt ionerne fanger elektroner og ændrer deres ladningstilstand, "Anna Niggas forklarer." Med vores resultater, Vi kan nu for første gang beregne, hvor mange atomlag du har brug for, indtil ionerne er elektrisk neutrale. "

Dynamik med stor betydning

For at undersøge dynamikken i elektronfangst, man skal først forberede prøverne meget omhyggeligt. Dr. Bernhard C. Bayer fra Institute of Materials Chemistry ved TU Wien lykkedes at præcist karakterisere atomlagene ved hjælp af mikroskopi i høj opløsning-en stor udfordring, når der kun er meget lidt materiale til rådighed til undersøgelsen i de atomtynde lag.

De nye fund er vigtige for mange forskningsområder:På den ene side meget grundlæggende fænomener kan studeres på denne måde, som er vanskelige at få adgang til med andre metoder. På den anden side, interaktionen mellem ioner og faste materialer er også vigtig for meget praktiske anvendelser - for eksempel i materialeanalyse, hvor ioner bruges til at studere egenskaberne af nye materialetyper i detaljer, eller i halvlederteknologi, hvor ionstråler bruges til at strukturere kredsløb.