Quelle für hochgeladene Ionen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zwei-dimensionale (2D) Materialien wie Graphen oder Molybdändisulfid, die nur wenige Atomlagen dick sind, bieten viele interessante Möglichkeiten für neuartige Anwendungen im Bereich der Elektronik, Optik, Sensorik und Filtration. Um diese Anwendungen zu ermöglichen, ist es häufig erforderlich, maßgeschneiderte Defekte einzubringen. Dazu bedient man sich oft eines Strahls von Teilchen definierter Energie und Fluenz. Diese an sich konventionelle Technik basiert darauf, dass durch den Eintrag der kinetischen Energie der Projektile Atome aus der Probe entfernt werden – ähnlich wie beim Sandstrahlen. Für die neuartigen, ultradünnen Materialien muss dieses Werkzeug aber neu gedacht werden. Die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse sind anders und zusätzliche Prozesse, wie die primäre Anregung des elektronischen Systems können eine dominante Rolle spielen. Die Materialien bieten zudem durch ihre definierte Dicke und die Möglichkeit, sie freitragend zu präparieren, eine ideale Plattform für Experimente zu grundlegenden Fragestellungen aus dem Bereich dem Bereich der Teilchen-Festkörper- Wechselwirkung. Mit Hilfe der Ionenquelle für hochgeladene Ionen konnten die Teilchen-Festkörper-Wechselwirkung systematisch für mehrere 2D-Materialien detailliiert untersucht und quantifiziert werden. Die Quelle stellt Pulse mehrfach geladener Edelgas-Ionen (im Falle von Xe z.B. bis hin zu 48-fach) zur Verfügung, die mittels einer Extraktionslinie auf eine Probe geschossen werden können. Dabei lassen sich sowohl der Ladungszustand – und damit der Energieeintrag in das elektronische System der Probe – als auch die Geschwindigkeit, also die kinetische Energie, unabhängig voneinander einstellen. Auf diese Weise kann der Einfluss des jeweiligen Energieeintrags untersucht und der Mechanismus zur Defekterzeugung kontrolliert ausgewählt werden. Dies ist mit konventionellen Ionenquellen, die i.d.R. nur einfach geladenen Projektile erzeugen, nicht möglich. Die Effizienz, mit der ein Defekt durch ein hochgeladenes Ion erzeugt wird, hängt selbstverständlich auch vom Probenmaterial ab. Für Graphen, einen exzellenten Leiter, konnten wir z.B. zeigen, dass selbst Ionen mit den höchsten Ladungszuständen das einatomar dünne Material nicht signifikant beschädigen, obwohl die meisten Ionen einen erheblichen Teil ihrer potentiellen Energie in der Probe deponieren. Ersetzt man die Kohlenstoffatome des Graphens durch Bor und Stickstoff, bekommt man hexagonales Bornitrid, ein weiteres 2D-Material, das allerdings elektrisch isolierend ist. Hier findet man deutliche Schäden durch hochgeladene Ionen, deren Entstehung wir auf den Eintrag der potentiellen Energie zurückführen konnten. Die elektronische Anregung führt zu einem starken und extrem lokalen Temperaturanstieg, der wiederum dazu führt, dass das Material am Einschlagsort sublimiert. Ganz ähnliche Defekte findet man auch für MoS 2, wobei auch hier die potentielle Energie der Schlüssel für die Defekterzeugung ist, der genaue Mechanismus ist aber noch ungeklärt. Für beide Materialien liegt die Defektgröße im Bereich von Nanometern und lässt sich über den Ladungszustand kontrollieren. Beides ist für Anwendungen wie Ultrafiltration, Katalyse und DNA-Sequenzierung vorteilhaft.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Ultrafast electronic response of graphene to a strong and localized electric field, Nature Communications 7 (2016) 13948
E. Gruber et al.
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Interatomic Coulombic Decay: The Mechanism for Rapid Deexcitation of Hollow Atoms, Phys. Rev. Lett. 119 (2017) 103401
R.A. Wilhelm et al.
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2D Material Science: Defect Engineering by Particle Irradiation, Materials 2018, 11(10), 1885
M. Schleberger & J. Kotakoski
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Fabrication of Defective Single Layers of Hexagonal Boron Nitride on Various Supports for Potential Applications in Catalysis and DNA Sequencing, ACS Appl. Nano Materials 1, 3765 (2018)
Roland Kozubek, et al.
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Ion-mediated growth of ultra thin molybdenum disulfide layers on highly oriented pyrolytic graphite, Surface and Coatings Technology 349 (2018) 783 - 786
Erik Pollmann et al.
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Perforating Freestanding Molybdenum Disulfide Monolayers with Highly Charged Ions, J. Phys. Chem. Lett. 10, 904 (2019)
Roland Kozubek et al.
