Wat gebeurt er als ionen door vaste stoffen gaan? Het is bijna onmogelijk om dit direct waar te nemen, maar wetenschappers van de TU Wien hebben een manier gevonden om dit probleem op te lossen.

Aan de TU Wien worden zeer ongebruikelijke atoomtoestanden geproduceerd:ionen worden gecreëerd door niet slechts één maar 20 tot 40 elektronen van elk atoom te verwijderen. Deze "hooggeladen ionen" spelen een belangrijke rol in het huidige onderzoek.

Voor een lange tijd, mensen hebben onderzocht wat er gebeurt als zulke sterk geladen ionen vaste materialen raken. Dit is van belang voor veel toepassingsgebieden in het materiaalonderzoek. Daarom is het cruciaal om te weten hoe de ladingstoestand van de ionen verandert wanneer ze een materiaal binnendringen, maar dit is precies wat tot nu toe onmogelijk was om direct waar te nemen. Nieuwe metingen aan de TU Wien (Wenen) laten zien dat de ionen aan opmerkelijk eenvoudige wetten voldoen.

Materialen laag voor laag aftasten

Wanneer sterk geladen ionen een vast materiaal binnendringen, ze kunnen de ontbrekende elektronen uit het materiaal halen en zo elektrisch neutraal worden. Maar hoe en waar dit precies gebeurt, is moeilijk te onderzoeken, omdat het in het materiaal gebeurt.

"We wisten dat dit proces heel snel moest gaan, omdat zelfs een vrij dunne laag materiaal voldoende is om ionen volledig te neutraliseren, " zegt Anna Niggas, eerste auteur van de huidige studie. Momenteel werkt ze aan haar proefschrift in de groep van prof.dr. Richard Wilhelm aan het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde van de TU Wien.

Het visueel observeren van de processen in het materiaal kan bijna onmogelijk zijn, maar nieuwe 2D-materialen zoals grafeen, die uit slechts een enkele laag koolstofatomen bestaat, geef wetenschappers nu voor het eerst de kans om deze fenomenen tot op de bodem uit te zoeken:"Grafeenlagen kunnen op elkaar worden gestapeld, zodat dikkere en dikkere samples worden gemaakt - je kunt een solide lichaam laag voor laag samenstellen, " zegt Richard Wilhelm. "We hebben single bestudeerd, dubbele en driedubbele grafeenlagen. Op die manier, we kunnen stap voor stap zien, atoomlaag voor atoomlaag, hoe de sterk geladen ionen veranderen."

Op deze manier, je kunt een transitie bestuderen, van een enkele atoomlaag tot een gewoon driedimensionaal materiaal. Grafiet, de materiaal potloodstiften zijn gemaakt van, is niets meer dan een groot aantal op elkaar gestapelde grafeenlagen.

Het is de tijd die ertoe doet

De ionen gaan met verschillende snelheden door de verschillende koolstoflagen. Doorslaggevend blijkt de tijd die het projectiel doorbrengt in de onmiddellijke nabijheid van de atoomlagen. "Als we er rekening mee houden dat de ionen twee of drie keer zo lang in contact zijn met koolstofatomen op hun weg door twee of drie grafeenlagen als in een enkele grafeenlaag, dan kan met een eenvoudige formule worden uitgelegd hoe snel de ionen elektronen vangen en hun ladingstoestand veranderen, " legt Anna Niggas uit. "Met onze resultaten, we kunnen nu voor het eerst berekenen hoeveel atoomlagen je nodig hebt totdat de ionen elektrisch neutraal zijn."

Dynamiek met grote betekenis

Om de dynamiek van de elektronenvangst te bestuderen, men moet de monsters eerst zeer zorgvuldig voorbereiden. Dr. Bernhard C. Bayer van het Institute of Materials Chemistry aan de TU Wien is erin geslaagd de atomaire lagen nauwkeurig te karakteriseren met behulp van hoge-resolutiemicroscopie - een grote uitdaging wanneer er maar heel weinig materiaal beschikbaar is voor het onderzoek in de atomair dunne lagen.

De nieuwe bevindingen zijn belangrijk voor veel onderzoeksgebieden:aan de ene kant Op deze manier kunnen zeer fundamentele fenomenen worden bestudeerd die met andere methoden moeilijk toegankelijk zijn. Anderzijds, de interactie tussen ionen en vaste materialen is ook belangrijk voor zeer praktische toepassingen, bijvoorbeeld bij materiaalanalyse, waar ionen worden gebruikt om de eigenschappen van nieuwe soorten materialen in detail te bestuderen, of in de halfgeleidertechnologie, waar ionenbundels worden gebruikt om circuits te structureren.