Forskere udvikler teknik til behandling af overflader på atomare skala

Ingen kan skyde en kugle gennem en banan på en sådan måde, at skindet er perforeret, men bananen forbliver intakt. Imidlertid, på niveau med individuelle atomlag, Forskere ved TU Wien (Wien) har nu opnået sådan en bedrift - de udviklede en nanostruktureringsmetode, hvormed visse lag af materiale kan perforeres ekstremt præcist og andre lades fuldstændig uberørte, selvom projektilet trænger ind i alle lag. Dette er gjort muligt ved hjælp af højt ladede ioner. De kan bruges til selektivt at behandle overfladerne af nye 2-D materialesystemer, for eksempel, at forankre visse metaller på dem, som så kan tjene som katalysatorer. Den nye metode er nu publiceret i tidsskriftet ACS Nano .

Nye materialer fra ultratynde lag

Materialer, der er sammensat af flere ultratynde lag, betragtes som et spændende nyt felt inden for materialeforskning. Det højtydende materiale grafen, som kun består af et enkelt lag carbonatomer, er blevet brugt i mange nye tyndfilmsmaterialer med lovende nye egenskaber.

"Vi undersøgte en kombination af grafen og molybdændisulfid. De to lag materiale bringes i kontakt og klæber derefter til hinanden af ​​svage van der Waals-kræfter, " siger Dr. Janine Schwestka fra Institut for Anvendt Fysik ved TU WIen og førsteforfatter til den aktuelle publikation. "Graphene er en meget god dirigent, molybdændisulfid er en halvleder, og kombinationen kunne være interessant for produktionen af ​​nye typer datalagringsenheder."

For visse applikationer, imidlertid, materialets geometri skal behandles specifikt på en skala af nanometer - f.eks. for at ændre de kemiske egenskaber ved at tilføje yderligere typer atomer eller for at kontrollere overfladens optiske egenskaber. "Der er forskellige metoder til dette, " forklarer Janine Schwestka. "Du kan modificere overfladerne med en elektronstråle eller med en konventionel ionstråle. Med et to-lags system, imidlertid, der er altid det problem, at strålen påvirker begge lag på samme tid, selvom kun én af dem formodes at blive ændret.

To slags energi.

Når en ionstråle bruges til at behandle en overflade, det er normalt kraften fra ionernes stød, der påvirker materialet. På TU Wien, imidlertid, relativt langsomme ioner anvendes, som er multipliceret. "Her skal der skelnes mellem to forskellige former for energi, " forklarer prof. Richard Wilhelm. "På den ene side, der er den kinetiske energi, hvilket afhænger af den hastighed, hvormed ionerne rammer overfladen. På den anden side, der er den potentielle energi, som er bestemt af ionernes elektriske ladning. Med konventionelle ionstråler, den kinetiske energi spiller den afgørende rolle, men for os, den potentielle energi er særlig vigtig."

Der er en vigtig forskel mellem disse to energiformer:Mens den kinetiske energi frigives i begge materialelag, når den trænger ind i lagsystemet, den potentielle energi kan fordeles meget ujævnt mellem lagene:"Molybdændisulfidet reagerer meget stærkt på de højt ladede ioner, " siger Richard Wilhelm. "En enkelt ion, der ankommer til dette lag, kan fjerne snesevis eller hundredvis af atomer fra laget. Tilbage er et hul, som kan ses meget tydeligt under et elektronmikroskop." Grafenlaget, på den anden side, som projektilet rammer umiddelbart efter, forbliver intakt:det meste af den potentielle energi er allerede blevet frigivet.

Det samme eksperiment kan også vendes, så den højt ladede ion først rammer grafenet og først derefter molybdændisulfidlaget. I dette tilfælde, begge lag forbliver intakte:Grafenen forsyner ionen med de elektroner, der er nødvendige for at neutralisere den elektrisk på en lille brøkdel af et sekund. Elektronernes mobilitet i grafenen er så høj, at anslagspunktet også "køles ned" med det samme. Ionen krydser grafenlaget uden at efterlade et permanent spor. Bagefter, det kan ikke længere forårsage stor skade i molybdændisulfidlaget.

"Dette giver os nu en vidunderlig ny metode til at manipulere overflader på en målrettet måde, " siger Richard Wilhelm. "Vi kan tilføje nano-porer til overflader uden at beskadige substratmaterialet nedenunder. Dette giver os mulighed for at skabe geometriske strukturer, der tidligere var umulige." På denne måde, det er muligt at lave "masker" af molybdændisulfid perforeret nøjagtigt som ønsket, hvorpå der så aflejres visse metalatomer. Dette åbner helt nye muligheder for at kontrollere kemikaliet, overfladens elektroniske og optiske egenskaber.