Sciencemag.cz
Doporučujeme
Jak reagují různé materiály na dopad iontů? Tato otázka hraje důležitou roli například ve výzkumu jaderné fúze, kdy jsou stěny fúzního reaktoru bombardovány vysokoenergetickými ionty; ale také při výrobě polovodičů a jejich další úpravě, kdy iontové paprsky vytvářejí v materiálech mikroskopické struktury.
Výsledek dopadu iontů na materiál se dosud studoval prakticky pouze zpětně. Stanovit časovou posloupnost příslušných procesů je mnohem obtížnější. Vědcům na TU Wien se nyní podařilo v časovém měřítku jedné femtosekundy analyzovat, co se děje s jednotlivými částicemi, když iont pronikne do materiálů, jako je grafen nebo sulfid molybdeničitý. Umožnila to analýza elektronů, které jsou při tomto procesu emitovány.
V experimentu byly použity vysoce elektricky nabité ionty xenonu. Atomy xenonu mají v neutrálním stavu 54 elektronů, tady z nich připraveny ionty +20 až +40 (tj. mimo normální chemii). Ty pak vědci nasměrovali na grafen – jednak kvůli speciálním vlastnostem 2D materiálů (včetně možností díky tomu vše sledovat), jednak kvůli pohyblivosti elektronů v grafenu. „Podařilo se nám velmi přesně změřit počet a energii těchto elektronů /elektronů uvolněných v grafenu v důsledku interakce/, porovnat výsledky s teoretickými výpočty, k nimž přispěli naši spoluautoři z Kielské univerzity, a to nám umožnilo odhalit, co se odehrává ve femtosekundovém měřítku,“ uvedla spoluautorka studie Anna Niggas.
Vysoce nabitý iont se nejdřív jen přiblížil k tenké vrstvě materiálu, kladný náboj vytvořil elektrické pole, a tím ovlivnil elektrony materiálu – již před samotnou srážkou se elektrony v grafenu pohybovaly ve směru místa nárazu (pole se na rozdíl od iontu šířilo rychlostí světla). V určitém okamžiku bylo elektrické pole tak silné, že elektrony byly vytrženy z materiálu a zachyceny vysoce nabitým iontem. Bezprostředně poté pak iont narazil na povrch a pronikl do materiálu. Tím předal materiálu v krátkém čase velké množství energie a došlo k emisi elektronů.
Na místo vyražených elektronů rychle přitékaly nové. V grafenu byl tento proces extrémně rychlý a v materiálu se na krátkou dobu vytvořily silné proudy v atomárním měřítku. V sulfidu molybdeničitém vše proběhlo podobně, jen trochu pomaleji. V obou případech však rozložení elektronů v materiálu zase ovlivňovalo elektrony, které již byly z materiálu uvolněny. Pouze rychlé elektrony dokázaly materiál opustit natrvalo a pak je mohl zachytit detektor.
Iont potřeboval k průniku vrstvou grafenu asi jednu femtosekundu. Procesy na tak krátkých časových škálách jsme dosud dokázali měřit pouze pomocí ultrakrátkých laserových pulzů – v tomto případě by však dodání další velké energie do materiálu celý proces zcela změnilo.
Anna Niggas et al, Ion-Induced Surface Charge Dynamics in Freestanding Monolayers of Graphene and MoS2 Probed by the Emission of Electrons, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.086802
Zdroj: Vienna University of Technology / Phys.org
