Medan de tränger igenom ett tunt materialskikt, avger högt laddade joner många elektroner som påverkas av fördelningen av de återstående elektronerna i materialet. Kredit:Wiens tekniska universitet
Hur reagerar olika material på påverkan av joner? Detta är en fråga som spelar en viktig roll inom många forskningsområden – till exempel inom kärnfusionsforskning, när väggarna i fusionsreaktorn bombarderas av högenergijoner, men också inom halvledarteknik, när halvledare bombarderas med jon. balkar för att producera små strukturer.
Resultatet av en jonpåverkan på ett material är lätt att studera i efterhand. Det är dock svårt att förstå den tidsmässiga sekvensen av sådana processer. En forskargrupp vid TU Wien har nu lyckats analysera i en tidsskala på en femtosekund vad som händer med de enskilda partiklarna som är inblandade när en jon penetrerar material som grafen eller molybdendisulfid. En noggrann analys av elektronerna som emitteras i processen var avgörande:De kan användas för att rekonstruera den tidsmässiga sekvensen av processerna – på ett sätt blir mätningen en "elektron-slow-motion". Resultaten har nu publicerats i Physical Review Letters och valdes ut som ett redaktörsförslag.
Prof. Richard Wilhelms forskargrupp vid Institutet för tillämpad fysik vid TU Wien arbetar med högladdade joner. Xenonatomer, som har 54 elektroner i neutralt tillstånd, tas bort från 20 till 40 elektroner, och de starkt positivt laddade xenonjonerna som finns kvar riktas sedan mot ett tunt lager av material.
"Vi är särskilt intresserade av interaktionen mellan dessa joner och materialet grafen, som bara består av ett enda lager av kolatomer", säger Anna Niggas, första författare till den aktuella artikeln. "Detta beror på att vi redan från tidigare experiment visste att grafen har mycket intressanta egenskaper. Elektrontransport i grafen är extremt snabb."
Partiklarna reagerar så snabbt att det inte går att observera processerna direkt. Men det finns speciella knep som kan användas:"Vid sådana här processer frigörs oftast ett stort antal elektroner också", förklarar Anna Niggas. "Vi kunde mäta antalet och energin hos dessa elektroner mycket exakt, jämföra resultaten med teoretiska beräkningar från våra medförfattare från Kiel University, och detta gjorde det möjligt för oss att reda ut vad som händer på en femtosekundskala."
Femtosekundsresa genom grafen
Först närmar sig den högt laddade jonen det tunna lagret av material. På grund av sin positiva laddning genererar den ett elektriskt fält och påverkar därmed materialets elektroner – redan före nedslaget rör sig elektroner i materialet i riktning mot nedslagsplatsen. Vid något tillfälle blir det elektriska fältet så starkt att elektroner slits ut ur materialet och fångas upp av den högladdade jonen. Direkt därefter träffar jonen sedan ytan och penetrerar materialet. Detta resulterar i en komplex interaktion; jonen överför mycket energi till materialet på kort tid och elektroner emitteras.
Om elektroner saknas i materialet finns positiv laddning kvar. Detta kompenseras dock snabbt av att elektroner rör sig in från andra delar av materialet. I grafen är denna process extremt snabb; starka strömmar bildas i materialet på atomär skala under en kort tid. I molybdendisulfid är denna process något långsammare. I båda fallen påverkar emellertid fördelningen av elektroner i materialet i sin tur de elektroner som redan har frigjorts från materialet - och av denna anledning, om de noggrant detekteras, ger dessa emitterade elektroner information om den tidsmässiga strukturen av nedslaget . Endast snabba elektroner kan lämna materialet, långsammare elektroner vänder sig, återfångas och hamnar inte i elektrondetektorn.
Jonen behöver bara cirka en femtosekund för att penetrera ett grafenlager. Processer på så korta tidsskalor kunde tidigare mätas med ultrakorta laserpulser – men i det här fallet skulle de avsätta mycket energi i materialet och helt förändra processen. "Med vår metod har vi hittat ett tillvägagångssätt som tillåter ganska grundläggande nya insikter", säger Richard Wilhelm, chef för ett FWF START-projekt vid TU Wien. "Resultaten hjälper oss att förstå hur materia reagerar på mycket kort och mycket intensiv strålningsexponering - inte bara för joner, utan i slutändan också på elektroner eller ljus." + Utforska vidare
