Tvådimensionella material som grafen lovar att ligga till grund för otroligt små och snabba teknologier, men detta kräver en detaljerad förståelse av deras elektroniska egenskaper. Ny forskning visar att snabba elektroniska processer kan undersökas genom att först bestråla materialen med joner.
Ett samarbete mellan forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign och University of Duisburg-Essen har visat att när grafen bestrålas med joner, eller elektriskt laddade atomer, ger elektronerna som stöts ut information om grafenens elektroniska beteende.
Dessutom utförde Illinois-gruppen de första beräkningarna med högtemperaturgrafen, och Duisburg-Essen-gruppen verifierade experimentellt förutsägelserna genom bestrålning. Denna forskning rapporterades i tidskriften Nano Letters.
"Att bestråla material och observera förändringar i egenskaper för att härleda vad som händer inuti materialet är en väletablerad teknik, men nu tar vi första steg mot att använda joner istället för laserljus för det ändamålet", säger André Schleife, Illinois-gruppen. lead och professor i materialvetenskap och teknik.
"Fördelen är att joner tillåter mycket lokaliserade, korta excitationer i materialet jämfört med vad laserljus kan göra. Detta möjliggör högprecisionsstudier av hur grafen och andra 2D-material utvecklas över tiden."
När en jon kolliderar med ett 2D-material överförs energi till både atomkärnor och elektroner. En del av elektronerna får tillräckligt med energi för att kastas ut från materialet. Egenskaperna hos dessa så kallade "sekundära elektroner" bestäms av egenskaperna hos elektronerna i materialet, såsom deras temperatur och fördelning av energier.
"Det finns en fördröjning mellan jonens "påverkan" och sekundära elektronemission, och det är den viktigaste informationen som vi var ute efter i våra simuleringar, säger Yifan Yao, studiens huvudförfattare och doktorand i Schleifes forskargrupp. "Vi gjorde detta för grafen vid absolut noll utan någon termisk energi närvarande samt grafen som har termisk energi och en högre temperatur. Vi är faktiskt de första som simulerar "het" grafen så här."
Illinois-gruppen utförde beräkningar baserade på grafen bestrålat med vätejoner - nakna protoner - och beräknade hur sekundära elektroner frigjordes över tiden och deras resulterande energispektrum. Dessa resultat stämde väl överens med Duisburg-Essen-gruppens resultat som använde argon- och xenonjoner.
Dessutom ger beräkningsstudien insikt i de underliggande mekanismerna för sekundär elektronemission. Högtemperaturgrafen frigjorde fler sekundära elektroner, och en noggrann undersökning av laddningsfördelningarna visade att atomkärnorna i materialets gitter snarare än materialets elektroner är ansvariga.
Enligt Schleife går löftet om denna teknik utöver precisionsmätningar av 2D-material. "När man ser år in i framtiden, finns det en möjlighet att jonbestrålning kan användas för att medvetet införa defekter i material och manipulera dem", sa han. "Men på kort sikt har vi visat att bestrålning kan användas som en högprecisionsmätteknik."
Mer information: Yifan Yao et al, Nonequilibrium Dynamics of Electron Emission from Cold and Hot Graphene under Proton Bestrålning, Nano Letters (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.4c00356
Journalinformation: Nanobokstäver
Tillhandahålls av University of Illinois Grainger College of Engineering
