Cámara lenta de electrones: física de iones en la escala de femtosegundos

22 de agosto de 2022

por la Universidad Tecnológica de Viena

¿Cómo reaccionan los diferentes materiales al impacto de los iones? Esta es una pregunta que juega un papel importante en muchas áreas de investigación, por ejemplo, en la investigación de fusión nuclear, cuando las paredes del reactor de fusión son bombardeadas por iones de alta energía, pero también en la tecnología de semiconductores, cuando los semiconductores son bombardeados con iones. vigas para producir estructuras diminutas.

El resultado del impacto de un ion sobre un material es fácil de estudiar retrospectivamente. Sin embargo, es difícil comprender la secuencia temporal de tales procesos. Un grupo de investigación de TU Wien ahora ha logrado analizar en una escala de tiempo de un femtosegundo lo que sucede con las partículas individuales involucradas cuando un ion penetra en materiales como el grafeno o el disulfuro de molibdeno. Un análisis cuidadoso de los electrones que se emiten en el proceso fue crucial: se pueden usar para reconstruir la secuencia temporal de los procesos; en cierto modo, la medición se convierte en una "cámara lenta de electrones". Los resultados ahora se publicaron en Physical Review Letters y fueron seleccionados como una sugerencia de los editores.

El grupo de investigación del Prof. Richard Wilhelm en el Instituto de Física Aplicada de TU Wien trabaja con iones altamente cargados. Los átomos de xenón, que tienen 54 electrones en su estado neutro, se despojan de 20 a 40 electrones, y los iones de xenón fuertemente cargados positivamente que quedan se dirigen a una capa delgada de material.

"Estamos particularmente interesados ​​en la interacción de estos iones con el material grafeno, que consta de una sola capa de átomos de carbono", dice Anna Niggas, primera autora del artículo actual. "Esto se debe a que ya sabíamos por experimentos anteriores que el grafeno tiene propiedades muy interesantes. El transporte de electrones en el grafeno es extremadamente rápido".

Las partículas reaccionan tan rápido que no es posible observar los procesos directamente. Pero hay trucos especiales que se pueden usar: "Durante tales procesos, generalmente también se libera una gran cantidad de electrones", explica Anna Niggas. "Pudimos medir el número y la energía de estos electrones con mucha precisión, comparar los resultados con los cálculos teóricos aportados por nuestros coautores de la Universidad de Kiel, y esto nos permitió desentrañar lo que sucede en una escala de femtosegundos".

Primero, el ion altamente cargado se acerca a la delgada capa de material. Debido a su carga positiva, genera un campo eléctrico y, por lo tanto, influye en los electrones del material; ya antes del impacto, los electrones del material se mueven en la dirección del lugar del impacto. En algún momento, el campo eléctrico se vuelve tan fuerte que los electrones son arrancados del material y capturados por el ion altamente cargado. Inmediatamente después, el ion golpea la superficie y penetra en el material. Esto da como resultado una interacción compleja; el ion transfiere mucha energía al material en poco tiempo y se emiten electrones.

Si faltan electrones en el material, queda carga positiva. Sin embargo, esto se compensa rápidamente con los electrones que se mueven desde otras áreas del material. En el grafeno, este proceso es extremadamente rápido; se forman fuertes corrientes dentro del material a escala atómica por un corto tiempo. En el disulfuro de molibdeno, este proceso es algo más lento. En ambos casos, sin embargo, la distribución de electrones en el material influye a su vez en los electrones que ya se han liberado del material y, por esta razón, si se detectan con cuidado, estos electrones emitidos brindan información sobre la estructura temporal del impacto. . Solo los electrones rápidos pueden abandonar el material, los electrones más lentos dan la vuelta, son recapturados y no terminan en el detector de electrones.

El ion necesita solo alrededor de un femtosegundo para penetrar una capa de grafeno. Anteriormente, los procesos en escalas de tiempo tan cortas podían medirse con pulsos láser ultracortos, pero en este caso depositarían mucha energía en el material y cambiarían completamente el proceso. "Con nuestro método, hemos encontrado un enfoque que permite nuevos conocimientos fundamentales", dice Richard Wilhelm, jefe de un proyecto FWF START en TU Wien. "Los resultados nos ayudan a comprender cómo reacciona la materia a una exposición a la radiación muy breve y muy intensa, no solo a los iones, sino también a los electrones o la luz".

Más información: Anna Niggas et al, Dinámica de carga superficial inducida por iones en monocapas independientes de grafeno y MoS2 probadas por la emisión de electrones, Cartas de revisión física (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.086802

Información del diario:Cartas de revisión física

Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Viena