Ionen zijn een essentieel hulpmiddel bij de productie van chips, maar met deze elektrisch geladen atomen kunnen ook nanozeven worden gemaakt met homogeen verdeelde poriën. Een bijzonder groot aantal elektronen, echter, moeten hiervoor uit de atomen worden verwijderd. Dergelijke sterk geladen ionen verliezen ofwel een verrassend grote hoeveelheid energie of bijna geen energie wanneer ze door een membraan gaan dat slechts één nanometer dik is. Onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en de Technische Universiteit Wenen (TU Wien) rapporteren in het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven dat deze ontdekking een belangrijke stap is in de richting van de ontwikkeling van nieuwe soorten elektronische componenten gemaakt van grafeen.

Hoewel sterk geladen ionen slechts op een zeer beperkt gebied van een materiaaloppervlak schade veroorzaken, ze doen dat uiterst efficiënt. Dit maakt ze een ideaal hulpmiddel voor speciale taken, zoals het perforeren van ultradunne films van koolstof die slechts één nanometer dik zijn (één nanometer =één miljoenste van een millimeter). Het resultaat is een technologisch bruikbare nanozeef die, bijvoorbeeld, verschillende gassen scheiden.

"Het bombarderen van materiaal met ionen is te vergelijken met het slaan van biljartballen, " volgens Richard Wilhelm, promovendus bij de HZDR. "Een profspeler weet precies onder welke hoek hij de bal moet raken om te slagen tijdens zijn beurt. de speler berekent ook de energie die door een bal moet worden overgedragen aan een of meer van de andere ballen." Ionen gedragen zich op dezelfde manier als ze botsen met atomen in het materiaal. De ionen vertragen geleidelijk op hun pad door een groot aantal botsingen en voortdurend energie verliezen, zoals een kogel die een boomstam binnendringt en daar tot stilstand komt.

Voor een ultradun materiaal dat uit slechts enkele atomaire lagen bestaat, deze analogie, echter, is niet van toepassing - zoals de opwindende resultaten aantonen van de nieuwste experimenten in het Ion Beam Center van HZDR. Wilhelm en zijn collega's uit Dresden en Wenen merkten voor het eerst in experimenten op dat de sterk geladen ionen ofwel vrijwel onaangetast door een nanomembraan vlogen, of verloor daarbij een verbazingwekkende hoeveelheid energie. Eerder werd aangenomen, echter, dat ionen gemiddeld altijd dezelfde hoeveelheid energie verliezen.

Om dit nieuw ontdekte effect überhaupt te zien, het membraan mag niet dikker zijn dan één nanometer - het koolstofmembraan, vrij hangend aan een drager, werd geproduceerd aan de universiteit van Bielefeld. In aanvulling, de ionen moeten een hoge positieve lading hebben, wat betekent dat veel elektronen vooraf zijn verwijderd. Er werden dertigvoudig geladen xenon-ionen gebruikt. Er kunnen twee verschillende gebeurtenissen plaatsvinden wanneer de xenon-ionen het ultradunne membraan raken. Terwijl één ion vrijwel ongehinderd tussen koolstofatomen van het nanomembraan kan passeren, een ander ion zou kunnen botsen met een van de atomen in het materiaal. Bij zo'n aanrijding het gaat door de elektronenwolk van het atoom en zuigt de negatief geladen elektronen op. Deze elektronenvangst leidt bijna tot neutralisatie van het ion, met een flinke vertraging tot gevolg. Afhankelijk van de hoek waaronder het ion blijft reizen na de botsing, het energieverlies loopt op tot tien procent.

"Onze experimenten toonden voor het eerst aan dat het energieverlies in het materiaal sterk afhangt van de ladingstoestand van de ionen. We vermoeden een algemene relatie, die niet eerder konden worden waargenomen met de gebruikelijke dikkere materialen en in lagere ionenladingen, ’, legt HZDR-promovendus Wilhelm uit.

Grafeen het "wondermateriaal"

De onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf en de Technische Universiteit Wenen (TU Wien) willen als volgende stap aan de slag met het veelbelovende materiaal grafeen. Grafeen is koolstof dat slechts één atoomlaag dik is. Het bezit bijna exotische eigenschappen, zoals extreme duurzaamheid terwijl het ook transparant en een metaal is. "Veel groepen over de hele wereld werken momenteel met grafeen, maar slechts zeer weinigen nemen vreemde atomen op in het tweedimensionale materiaal. Als dit routinematig zou kunnen worden gedaan met behulp van ionenimplantatie, het zou kunnen leiden tot nieuwe elektronische componenten met onverwachte mogelijkheden, " legt Richard Wilhelm uit. Binnen het Ion Beam Center van de HZDR, er zijn nog meer faciliteiten beschikbaar voor het genereren van sterk geladen ionen voor experimenten met grafeen. De TU Wenen, een langdurige onderzoekspartner, is weer actief aan boord.