Joner är ett viktigt verktyg för chiptillverkning, men dessa elektriskt laddade atomer kan också användas för att producera nanosiktar med homogent fördelade porer. Ett särskilt stort antal elektroner, dock, måste avlägsnas från atomerna för detta ändamål. Sådana högladdade joner förlorar antingen en överraskande stor mängd energi eller nästan ingen energi alls när de passerar genom ett membran som bara mäter en nanometer i tjocklek. Forskare från Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) och Wiens tekniska universitet (TU Wien) rapporterar i den vetenskapliga tidskriften Fysiska granskningsbrev att denna upptäckt är ett viktigt steg mot att utveckla nya typer av elektroniska komponenter gjorda av grafen.

Även om högladdade joner endast orsakar skada på ett mycket begränsat område av en materialyta, de gör det extremt effektivt. Detta gör dem till ett idealiskt verktyg för speciella uppgifter, såsom perforering av ultratunna kolfilmer som bara mäter en nanometer i tjocklek (en nanometer =en miljonedel av en millimeter). Resultatet är en tekniskt användbar nanosikt som kan, till exempel, separera olika gaser.

"Bombarderingsmaterial med joner kan jämföras med slagande biljardbollar, "enligt Richard Wilhelm, doktorand vid HZDR. "En professionell spelare vet exakt i vilken vinkel han måste slå bollen för att lyckas under sin tur. Genom att göra det, spelaren beräknar också energin som måste överföras av en boll till en eller flera av de andra bollarna. "Joner beter sig på samma sätt när de kolliderar med atomer i materialet. Jonerna saktar sakta ner på sin väg genom ett stort antal kollisioner och förlorar kontinuerligt energi - som en kula som tränger in i en trädstam och sedan vilar där.

För ett ultratunt material som bara består av några få atomlager, denna analogi, dock, är inte tillämpligt - som de spännande resultaten visar från de senaste experimenten vid Ion Beam Center i HZDR. Wilhelm och hans kollegor från Dresden och Wien observerade för första gången i experiment att de högt laddade jonerna antingen flög genom en nanomebran praktiskt taget opåverkad, eller tappade en häpnadsväckande mängd energi genom att göra det. Det antogs tidigare, dock, att joner alltid förlorar samma mängd energi i genomsnitt.

För att överhuvudtaget se denna nyupptäckta effekt, membranet kan inte vara tjockare än en nanometer - kolmembranet, hänger fritt från en bärare, producerades vid universitetet i Bielefeld. Dessutom, jonerna måste ha en hög positiv laddning, vilket innebär att många elektroner togs bort i förväg. Trettio gånger laddade xenonjoner användes. Två olika händelser kan inträffa när xenonjonerna träffar det ultratunna membranet. Medan en jon praktiskt taget kan passera obehindrat mellan kolatomer i nanomembranen, en annan jon kan kollidera med en av atomerna i materialet. Under en sådan kollision, den passerar genom atomens elektronmoln och suger upp de negativt laddade elektronerna. Denna elektroninsamling leder nästan till neutralisering av jonen, vilket resulterar i en avsevärd inbromsning. Beroende på vinkeln vid vilken jonen fortsätter att färdas efter kollisionen, energiförlusten uppgår till tio procent.

"Våra experiment visade för första gången att energiförlusten i materialet beror avsevärt på jonernas laddningstillstånd. Vi misstänker ett allmänt samband, som inte tidigare kunde observeras med vanliga tjockare material och i lägre jonladdningstillstånd, "förklarar HZDR doktorand Wilhelm.

Graphene "Miracle Material"

Forskarna vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf och Wiens tekniska universitet (TU Wien) skulle vilja arbeta med det lovande materialet grafen som ett nästa steg. Grafen är kol som bara är ett atomskikt tjockt. Den har nästan exotiska egenskaper, som extrem hållbarhet medan den också är transparent och en metall. "Många grupper runt om i världen arbetar med grafen just nu, men bara väldigt få införlivar främmande atomer i det tvådimensionella materialet. Om detta kan göras rutinmässigt med hjälp av jonimplantation, det kan leda till nya elektroniska komponenter med oväntade möjligheter, "förklarar Richard Wilhelm. Inom Ion Beam Center i HZDR, flera faciliteter finns tillgängliga för att generera högladdade joner för experiment med grafen. TU Wien, en långsiktig forskningspartner, är igen aktivt ombord.