Ionbestråling giver løfte om 2D-materialesondering

Todimensionelle materialer som grafen lover at danne grundlaget for utroligt små og hurtige teknologier, men dette kræver en detaljeret forståelse af deres elektroniske egenskaber. Ny forskning viser, at hurtige elektroniske processer kan undersøges ved først at bestråle materialerne med ioner.

Et samarbejde mellem forskere ved University of Illinois Urbana-Champaign og University of Duisburg-Essen har vist, at når grafen bestråles med ioner, eller elektrisk ladede atomer, giver de elektroner, der udstødes, information om grafenens elektroniske adfærd.

Desuden udførte Illinois-gruppen de første beregninger, der involverede højtemperaturgrafen, og Duisburg-Essen-gruppen verificerede eksperimentelt forudsigelserne ved bestråling. Denne forskning blev rapporteret i tidsskriftet Nano Letters.

"Bestråling af materialer og observation af ændringen i egenskaber for at udlede, hvad der foregår inde i materialet er en veletableret teknik, men nu tager vi de første skridt mod at bruge ioner i stedet for laserlys til det formål," sagde André Schleife, Illinois-gruppen. leder og professor i materialevidenskab og teknik.

"Fordelen er, at ioner tillader meget lokaliserede, kortvarige excitationer i materialet sammenlignet med, hvad laserlys kan gøre. Dette muliggør højpræcisionsstudier af, hvordan grafen og andre 2D-materialer udvikler sig over tid."

Når en ion kolliderer med et 2D-materiale, overføres energi til både atomkerner og elektroner. Nogle af elektronerne får energi nok til at blive kastet ud af materialet. Egenskaberne ved disse såkaldte "sekundære elektroner" er bestemt af karakteristikaene for elektronerne i materialet, såsom deres temperatur og energifordeling.

"Der er en forsinkelse mellem ionens 'påvirkning' og sekundære elektronemission, og det er den vigtigste information, som vi ledte efter i vores simuleringer," sagde Yifan Yao, undersøgelsens hovedforfatter og en kandidatstuderende i Schleifes forskningsgruppe. "Vi gjorde dette for grafen ved det absolutte nulpunkt uden termisk energi til stede samt grafen, der har termisk energi og en højere temperatur. Vi er faktisk de første til at simulere "varm" grafen som denne."

Illinois-gruppen udførte beregninger baseret på grafen bestrålet med brintioner - bare protoner - og beregnede, hvordan sekundære elektroner blev frigivet over tid og deres resulterende energispektrum. Disse resultater stemte godt overens med Duisburg-Essen-gruppens resultater, der brugte argon og xenonioner.

Derudover giver beregningsstudiet indsigt i de underliggende mekanismer for sekundær elektronemission. Højtemperaturgrafen frigav flere sekundære elektroner, og en omhyggelig undersøgelse af ladningsfordelingerne viste, at atomkernerne i materialets gitter snarere end materialets elektroner er ansvarlige.

Ifølge Schleife går løftet om denne teknik ud over præcise 2D-materialemålinger. "Når man ser år ud i fremtiden, er der en mulighed for, at ionbestråling kan bruges til bevidst at indføre defekter i materialer og manipulere dem," sagde han. "Men på kort sigt har vi vist, at bestråling kan bruges som en højpræcis måleteknik."

Flere oplysninger: Yifan Yao et al., Nonequilibrium Dynamics of Electron Emission from Cold and Hot Graphene under Proton Iradiation, Nano Letters (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.4c00356

Journaloplysninger: Nano-bogstaver

Leveret af University of Illinois Grainger College of Engineering