Ionen zijn essentiële instrumenten bij de vervaardiging van een chip. Men kan met de elektrisch geladen atomen nano-zeven met zeer fijne poriën vervaardigen, als men er voor het beschieten veel elektronen aan onttrekt. Dergelijke sterk geladen ionen verliezen op de weg door een dergelijk nanometer dunne membraan of opvallend veel of bijna totaal geen energie.
Over deze ontdekking, die een belangrijke stap in een nieuw soort elektronische componenten van grafeen betekent, publiceren de onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en de TU Wenen in het vaktijdschrift ‘Physical Review Letters’ (DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.068103).
Bruikbaar technologische nano-zeef
Sterk geladen ionen richten weliswaar ruimtelijk zeer begrensd, maar daarom des te efficiënter, schade aan op een materiaal oppervlakte. Dat maakt ze tot een ideaal werktuig voor speciale opgaven, zoals het perforeren van flinterdunne folie van koolstof met een dikte van slechts 1 nm. (1 nm = één miljoenste millimeter). Zo ontstaat een bruikbare technologische nano-zeef, om bijvoorbeeld verschillende gassen te scheiden.
“Men kan het beschieten van een materiaal met ionen vergelijken met het stoten van biljartballen”, aldus Richard Wilhelm, doctorandus bij het HZDR. “Een professionele speler weet precies, onder welke hoek hij een bal moet raken om een goede stoot te plaatsen. Daarbij berekent hij ook de energie, die van de ene bal op de andere(n) wordt doorgegeven. “Op dezelfde manier verloopt het met ionen, die met atomen in een materiaal botsen. Door zeer veel stoten worden ionen op hun weg steeds meer afgeremd en verliezen geleidelijk aan energie, net als een kogel, die in een boomstam doordringt en daar tot stilstand komt”.
Energieverlies ionen in kaart gebracht
Maar voor een flinterdun materiaal, dat maar uit een paar atoomlagen bestaat, houdt deze analogie niet stand. Dat is het verbluffende resultaat van actuele experimenten in het ionenstraal centrum van het HZDR. Voor het eerst hebben Wilhelm en zijn collega’s uit Dresden en Wenen tijdens experimenten waargenomen, dat sterk geladen ionen nagenoeg zonder weerstand door een nano membraan vliegen, maar ook dat ze daarbij opvallend veel energie kunnen verliezen.
“Met onze experimenten konden wij aantonen, dat het energieverlies in het materiaal in belangrijke mate afhangt van de ladingstoestand van de ionen. We hebben het vermoeden van een algemene relatie, die men tot nog toe bij de algemeen gebruikte dikkere materialen en de geringe ladingstoestanden van de ionen niet kon waarnemen”, verklaart Richard Wilhelm.
Om het nieuw ontdekte effect te kunnen zien mag het membraan niet dikker zijn dan één nanometer. Deze werd met veel inspanningen geproduceerd op een drager van een los opgehangen membraan van koolstof aan de universiteit van Bielefeld. Bovendien moeten de ionen een sterke positieve lading hebben, wat betekent, dat er voor die tijd veel elektronen aan onttrokken moeten worden. Er werden hiervoor tot 30 keer geladen Xenon-ionen gebruikt. Als de xenon-ionen het super dunne membraan raken, ontstaan er twee verschillende soorten gebeurtenissen.
Terwijl een ion nagenoeg ongehinderd tussen de koolstofatomen van het nano membraan kan door vliegen, botst een ander ion op een atoom in het materiaal. Daarbij gaat het door een elektronenwolk van het atoom en zuigt de negatief geladen elektronen op. Deze vangst van elektronen zorgt bijna voor een neutralisatie van het ion, met als gevolg dat deze sterk wordt afgeremd. Afhankelijk van de hoek, waaronder het ion naar de botsing door vliegt, loopt het energieverlies op tot 10%.
‘Het wondermateriaal grafeen’
Als volgende stap willen de onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf en de TU Wenen werken met het veelbelovende materiaal grafeen. Grafeen is een koolstof, dat slechts een atoom laag dik is. Het heeft weinig exotische eigenschappen, is extreem stabiel, doorzichtig en een metaal. “Wereldwijd houden vele groepen zich bezig met grafeen, maar slechts weinige bouwen in het twee dimensionale materiaal vreemde atomen in. Als dit zou lukken met standaard ionenimplantatie, zou men nieuw soortige elektronische componenten met onverwachte eigenschappen kunnen vervaardigen”, verduidelijkt Richard Wilhelm.
Ook voor de experimenten met grafeen zijn in het ionen straalcentrum van het HZDR meer installaties beschikbaar voor het opwekken van sterk geladen ionen. De TU Wenen is hier als onderzoekpartner weer actief bij betrokken.
