Vad händer när joner passerar genom fasta material? Det är nästan omöjligt att observera detta direkt, men forskare vid TU Wien hittade ett sätt att övervinna detta problem.

Mycket ovanliga atomtillstånd produceras vid TU Wien:Joner skapas genom att inte bara ta bort en utan 20 till 40 elektroner från varje atom. Dessa "högt laddade joner" spelar en viktig roll i aktuell forskning.

Under en lång tid, människor har undersökt vad som händer när så högt laddade joner träffar fasta material. Detta är viktigt för många användningsområden inom materialforskning. Därför är det avgörande att veta hur jonernas laddningstillstånd förändras när de penetrerar ett material – men det är just detta som hittills varit omöjligt att observera direkt. Nya mätningar vid TU Wien (Wien) visar att jonerna lyder anmärkningsvärt enkla lagar.

Undersök material lager för lager

När högt laddade joner penetrerar ett fast material, de kan hämta de saknade elektronerna från materialet och därmed bli elektriskt neutrala. Men exakt hur och var detta händer är svårt att utreda, eftersom det händer inuti materialet.

"Vi visste att den här processen måste vara väldigt snabb, eftersom även ett ganska tunt lager av material är tillräckligt för att helt neutralisera joner, säger Anna Niggas, första författare till denna studie. Hon arbetar för närvarande med sin avhandling i prof. Richard Wilhelms grupp vid Institutet för tillämpad fysik vid TU Wien.

Att visuellt observera processerna inuti materialet kan vara nästan omöjligt, men nya 2D-material som grafen, som bara består av ett enda lager kolatomer, ge nu forskare en chans att komma till botten med dessa fenomen för första gången:"Grafenlager kan staplas ovanpå varandra, så att tjockare och tjockare prover skapas - du kan montera en solid kropp lager för lager, " säger Richard Wilhelm. "Vi har studerat singel, dubbla och tredubbla grafenskikt. På det sättet, vi kan se steg för steg, atomlager för atomlager, hur de högt laddade jonerna förändras."

På det här sättet, du kan studera en övergång, från ett enda atomlager till ett vanligt tredimensionellt material. Grafit, materialet blyertspennor är gjorda av, är inget annat än ett stort antal grafenlager staplade ovanpå varandra.

Det är tiden som gäller

Jonerna går genom de olika kolskikten med olika hastigheter. Det visar sig att den avgörande faktorn är den tid projektilen tillbringar i omedelbar närhet av atomskikten. "Om vi ​​tar hänsyn till att jonerna tillbringar två eller tre gånger så lång tid i kontakt med kolatomer på väg genom två eller tre grafenlager som de gör i ett enda grafenlager, sedan kan det förklaras med en enkel formel hur snabbt jonerna fångar elektroner och ändrar laddningstillstånd, " Anna Niggas förklarar. "Med våra resultat, vi kan nu för första gången beräkna hur många atomlager du behöver tills jonerna är elektriskt neutrala."

Dynamik med stor betydelse

För att studera dynamiken i elektroninfångningen, man måste först förbereda proverna mycket noggrant. Dr Bernhard C. Bayer från Institutet för materialkemi vid TU Wien lyckades exakt karakterisera atomskikten med hjälp av högupplöst mikroskopi – en stor utmaning när endast mycket lite material är tillgängligt för undersökningen i de atomärt tunna skikten.

De nya rönen är viktiga för många forskningsområden:Å ena sidan, mycket grundläggande fenomen kan studeras på detta sätt som är svåra att komma åt med andra metoder. Å andra sidan, samspelet mellan joner och fasta material är också viktigt för mycket praktiska tillämpningar - till exempel i materialanalys, där joner används för att studera egenskaperna hos nya typer av material i detalj, eller inom halvledarteknik, där jonstrålar används för att strukturera kretsar.