Niemand kan een kogel door een banaan schieten op zo'n manier dat de schil wordt geperforeerd maar de banaan intact blijft. Echter, op het niveau van individuele atoomlagen, Dat hebben onderzoekers van de TU Wien (Wenen) nu bereikt:ze ontwikkelden een nanostructureringsmethode waarmee bepaalde materiaallagen uiterst nauwkeurig kunnen worden geperforeerd en andere volledig onaangeroerd blijven, ook al dringt het projectiel door alle lagen heen. Dit wordt mogelijk gemaakt met behulp van sterk geladen ionen. Ze kunnen worden gebruikt om de oppervlakken van nieuwe 2D-materiaalsystemen selectief te verwerken, bijvoorbeeld, om er bepaalde metalen op te verankeren, die dan als katalysator kunnen dienen. De nieuwe methode is nu gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Nieuwe materialen uit ultradunne lagen

Materialen die zijn samengesteld uit meerdere ultradunne lagen worden beschouwd als een spannend nieuw veld van materiaalonderzoek. Het hoogwaardige materiaal grafeen, die uit slechts een enkele laag koolstofatomen bestaat, is gebruikt in veel nieuwe dunnefilmmaterialen met veelbelovende nieuwe eigenschappen.

"We hebben een combinatie van grafeen en molybdeendisulfide onderzocht. De twee lagen materiaal worden met elkaar in contact gebracht en hechten zich vervolgens aan elkaar door zwakke van der Waals-krachten, " zegt Dr. Janine Schwestka van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde aan de TU WIen en eerste auteur van de huidige publicatie. "Grafeen is een zeer goede dirigent, molybdeendisulfide is een halfgeleider, en de combinatie zou interessant kunnen zijn voor de productie van nieuwe soorten gegevensopslagapparaten."

Voor bepaalde toepassingen, echter, de geometrie van het materiaal moet specifiek worden verwerkt op een schaal van nanometer, bijvoorbeeld om de chemische eigenschappen te veranderen door extra soorten atomen toe te voegen of om de optische eigenschappen van het oppervlak te regelen. "Hier zijn verschillende methoden voor, " legt Janine Schwestka uit. "Je kunt de oppervlakken aanpassen met een elektronenstraal of met een conventionele ionenstraal. Met een tweelaags systeem, echter, er is altijd het probleem dat de straal beide lagen tegelijkertijd beïnvloedt, zelfs als slechts één ervan zou moeten worden gewijzigd.

Twee soorten energie.

Wanneer een ionenstraal wordt gebruikt om een ​​oppervlak te behandelen, het is meestal de kracht van de impact van de ionen die het materiaal beïnvloedt. Aan de TU Wenen, echter, relatief langzame ionen worden gebruikt, die meervoudig geladen zijn. "Hier moeten twee verschillende vormen van energie worden onderscheiden, " legt prof. Richard Wilhelm uit. "Aan de ene kant, daar is de kinetische energie, die afhangt van de snelheid waarmee de ionen op het oppervlak inslaan. Anderzijds, daar is de potentiële energie, die wordt bepaald door de elektrische lading van de ionen. Met conventionele ionenbundels, de kinetische energie speelt de beslissende rol, maar voor ons, de potentiële energie is bijzonder belangrijk."

Er is een belangrijk verschil tussen deze twee vormen van energie:terwijl de kinetische energie in beide materiaallagen vrijkomt bij het binnendringen van het lagensysteem, de potentiële energie kan zeer ongelijk over de lagen worden verdeeld:"Het molybdeendisulfide reageert zeer sterk op de sterk geladen ionen, " zegt Richard Wilhelm. "Een enkel ion dat bij deze laag aankomt, kan tientallen of honderden atomen uit de laag verwijderen. Wat overblijft is een gat, die heel duidelijk te zien is onder een elektronenmicroscoop." De grafeenlaag, anderzijds, die het projectiel onmiddellijk daarna raakt, blijft intact:de meeste potentiële energie is al vrijgekomen.

Hetzelfde experiment kan ook worden omgekeerd, zodat het hooggeladen ion eerst het grafeen raakt en pas daarna de molybdeendisulfidelaag. In dit geval, beide lagen blijven intact:het grafeen voorziet het ion van de elektronen die nodig zijn om het in een fractie van een seconde elektrisch te neutraliseren. De mobiliteit van de elektronen in het grafeen is zo hoog dat het inslagpunt ook meteen "afkoelt". Het ion passeert de grafeenlaag zonder een blijvend spoor achter te laten. Nadien, het kan niet meer veel schade aanrichten in de molybdeendisulfidelaag.

"Dit biedt ons nu een prachtige nieuwe methode om oppervlakken gericht te manipuleren, ", zegt Richard Wilhelm. "We kunnen nanoporiën aan oppervlakken toevoegen zonder het onderliggende substraat te beschadigen. Hierdoor kunnen we geometrische structuren creëren die voorheen onmogelijk waren." het is mogelijk om "maskers" te maken van molybdeendisulfide dat precies naar wens is geperforeerd, waarop vervolgens bepaalde metaalatomen worden afgezet. Dit opent geheel nieuwe mogelijkheden voor het beheersen van de chemische, elektronische en optische eigenschappen van het oppervlak.