Hoe reageren verschillende materialen op de impact van ionen? Dit is een vraag die in veel onderzoeksgebieden een belangrijke rol speelt, bijvoorbeeld bij kernfusieonderzoek, wanneer de wanden van de fusiereactor worden gebombardeerd door hoogenergetische ionen, maar ook in de halfgeleidertechnologie, wanneer halfgeleiders worden gebombardeerd met ionen. balken om kleine structuren te produceren.

Het resultaat van een ionenimpact op een materiaal is achteraf eenvoudig te bestuderen. Het is echter moeilijk om de temporele volgorde van dergelijke processen te begrijpen. Een onderzoeksgroep van de TU Wien is er nu in geslaagd om op een tijdschaal van één femtoseconde te analyseren wat er met de afzonderlijke deeltjes gebeurt als een ion materialen als grafeen of molybdeendisulfide binnendringt. Een zorgvuldige analyse van de elektronen die tijdens het proces worden uitgezonden, was cruciaal:ze kunnen worden gebruikt om de temporele volgorde van de processen te reconstrueren - in zekere zin wordt de meting een 'elektronen slow-motion'. De resultaten zijn nu gepubliceerd in Physical Review Letters en werden geselecteerd als suggestie van de redactie.

De onderzoeksgroep van prof.dr. Richard Wilhelm aan het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde van de TU Wien werkt met sterk geladen ionen. Xenon-atomen, die in neutrale toestand 54 elektronen hebben, worden ontdaan van 20 tot 40 elektronen, en de sterk positief geladen xenon-ionen die overblijven, worden vervolgens op een dunne laag materiaal gericht.

"We zijn vooral geïnteresseerd in de interactie van deze ionen met het materiaal grafeen, dat uit slechts een enkele laag koolstofatomen bestaat", zegt Anna Niggas, eerste auteur van het huidige artikel. "Dit komt omdat we uit eerdere experimenten al wisten dat grafeen zeer interessante eigenschappen heeft. Elektronentransport in grafeen is extreem snel."

De deeltjes reageren zo snel dat het niet mogelijk is om de processen direct waar te nemen. Maar er zijn speciale trucs die kunnen worden gebruikt:"Tijdens dergelijke processen komen meestal ook een groot aantal elektronen vrij", legt Anna Niggas uit. "We waren in staat om het aantal en de energie van deze elektronen zeer nauwkeurig te meten, de resultaten te vergelijken met theoretische berekeningen van onze co-auteurs van Kiel University, en dit stelde ons in staat te ontrafelen wat er gebeurt op een femtoseconde schaal."

Femtoseconde reis door grafeen

Ten eerste nadert het sterk geladen ion de dunne laag materiaal. Door zijn positieve lading genereert het een elektrisch veld en beïnvloedt zo de elektronen van het materiaal - al vóór de impact bewegen elektronen van het materiaal in de richting van de impactplaats. Op een gegeven moment wordt het elektrische veld zo sterk dat elektronen uit het materiaal worden gescheurd en worden opgevangen door het sterk geladen ion. Onmiddellijk daarna treft het ion het oppervlak en dringt het het materiaal binnen. Dit resulteert in een complexe interactie; het ion draagt ​​in korte tijd veel energie over aan het materiaal en er worden elektronen uitgezonden.

Als er elektronen in het materiaal ontbreken, blijft er positieve lading over. Dit wordt echter snel gecompenseerd door elektronen die vanuit andere delen van het materiaal naar binnen komen. In grafeen is dit proces extreem snel; op atomaire schaal vormen zich gedurende korte tijd sterke stromen in het materiaal. Bij molybdeendisulfide verloopt dit proces iets langzamer. In beide gevallen beïnvloedt de verdeling van elektronen in het materiaal op zijn beurt de elektronen die al uit het materiaal zijn vrijgekomen - en daarom geven deze uitgezonden elektronen, als ze zorgvuldig worden gedetecteerd, informatie over de tijdsstructuur van de impact . Alleen snelle elektronen kunnen het materiaal verlaten, langzamere elektronen draaien om, worden teruggevangen en komen niet in de elektronendetector terecht.

Het ion heeft slechts ongeveer één femtoseconde nodig om door een grafeenlaag te dringen. Processen op zulke korte tijdschalen konden voorheen worden gemeten met ultrakorte laserpulsen, maar in dit geval zouden ze veel energie in het materiaal storten en het proces volledig veranderen. "Met onze methode hebben we een aanpak gevonden die vrij fundamentele nieuwe inzichten mogelijk maakt", zegt Richard Wilhelm, hoofd van een FWF START-project aan de TU Wien. "De resultaten helpen ons te begrijpen hoe materie reageert op zeer korte en zeer intense blootstelling aan straling - niet alleen op ionen, maar uiteindelijk ook op elektronen of licht." + Verder verkennen

Hoe ionen hun elektronen terugkrijgen