Ingen kan skjuta en kula genom en banan på ett sådant sätt att skalet är perforerat men bananen förblir intakt. Dock, på nivån av enskilda atomlager, forskare vid TU Wien (Wien) har nu uppnått en sådan bedrift – de utvecklade en nanostruktureringsmetod med vilken vissa lager av material kan perforeras extremt exakt och andra lämnas helt orörda, även om projektilen penetrerar alla lager. Detta möjliggörs med hjälp av högt laddade joner. De kan användas för att selektivt bearbeta ytorna på nya 2D-materialsystem, till exempel, att förankra vissa metaller på dem, som sedan kan fungera som katalysatorer. Den nya metoden har nu publicerats i tidskriften ACS Nano .

Nya material från ultratunna lager

Material som är sammansatta av flera ultratunna skikt betraktas som ett spännande nytt område för materialforskning. Det högpresterande materialet grafen, som bara består av ett enda lager kolatomer, har använts i många nya tunnfilmsmaterial med lovande nya egenskaper.

"Vi undersökte en kombination av grafen och molybdendisulfid. De två skikten av material bringas i kontakt och fäster sedan vid varandra av svaga van der Waals-krafter, " säger Dr Janine Schwestka från Institutet för tillämpad fysik vid TU WIen och första författare till den aktuella publikationen. "Graphene är en mycket bra dirigent, molybdendisulfid är en halvledare, och kombinationen kan vara intressant för produktion av nya typer av datalagringsenheter."

För vissa tillämpningar, dock, materialets geometri måste bearbetas specifikt på en skala av nanometer – till exempel, för att ändra de kemiska egenskaperna genom att lägga till ytterligare typer av atomer eller för att kontrollera ytans optiska egenskaper. "Det finns olika metoder för detta, " förklarar Janine Schwestka. "Du kan modifiera ytorna med en elektronstråle eller med en konventionell jonstråle. Med ett tvåskiktssystem, dock, det finns alltid problemet att strålen påverkar båda skikten samtidigt, även om bara en av dem är tänkt att modifieras.

Två sorters energi.

När en jonstråle används för att behandla en yta, det är vanligtvis kraften från jonernas stöt som påverkar materialet. På TU Wien, dock, relativt långsamma joner används, som är mångfaldigt laddade. "Här måste två olika former av energi särskiljas, " förklarar prof. Richard Wilhelm. "Å ena sidan, det finns den kinetiska energin, vilket beror på den hastighet med vilken jonerna slår mot ytan. Å andra sidan, det finns den potentiella energin, som bestäms av jonernas elektriska laddning. Med konventionella jonstrålar, den kinetiska energin spelar den avgörande rollen, men för oss, den potentiella energin är särskilt viktig."

Det finns en viktig skillnad mellan dessa två energiformer:Medan den kinetiska energin frigörs i båda materiallagren när den penetrerar lagersystemet, den potentiella energin kan fördelas mycket ojämnt mellan lagren:"Molybdendisulfiden reagerar mycket starkt på de högt laddade jonerna, " säger Richard Wilhelm. "En enda jon som anländer till detta lager kan ta bort dussintals eller hundratals atomer från lagret. Det som återstår är ett hål, som kan ses mycket tydligt under ett elektronmikroskop." Grafenskiktet, å andra sidan, som projektilen träffar direkt efteråt, förblir intakt:det mesta av den potentiella energin har redan frigjorts.

Samma experiment kan också vändas, så att den högladdade jonen först träffar grafenet och först därefter molybdendisulfidskiktet. I detta fall, båda skikten förblir intakta:Grafenen förser jonen med de elektroner som behövs för att neutralisera den elektriskt på en liten bråkdel av en sekund. Elektronernas rörlighet i grafenet är så hög att anslagspunkten också "kylar" omedelbart. Jonen passerar grafenskiktet utan att lämna ett permanent spår. Efteråt, det kan inte längre orsaka mycket skada i molybdendisulfidskiktet.

"Detta ger oss nu en underbar ny metod för att manipulera ytor på ett målinriktat sätt, ", säger Richard Wilhelm. "Vi kan lägga till nanoporer på ytor utan att skada substratmaterialet under. Detta gör att vi kan skapa geometriska strukturer som tidigare var omöjliga." det är möjligt att skapa "masker" av molybdendisulfid perforerad precis som önskat, på vilka vissa metallatomer sedan avsätts. Detta öppnar helt nya möjligheter för att kontrollera kemikalien, ytans elektroniska och optiska egenskaper.