Ученые научились перфорировать поверхности в атомном масштабе

Никто не может выстрелить из обычного пистолета так в банан так, чтобы его кожа была перфорирована, а мякоть осталась нетронутой. Однако на уровне отдельных атомных слоев такой подвиг в настоящее время достигнут — метод наноструктурирования был разработан учеными из Технического университета Вены (TU Wien). С помощью него определенные слои материала могут быть перфорированы чрезвычайно точно, а другие остаются совершенно нетронутыми, даже если снаряд проникает во все слои. Это стало возможным с помощью высоко заряженных ионов. Их можно использовать для выборочной обработки поверхностей новых систем 2D-материалов, например, для закрепления на них определенных металлов, которые затем могут служить катализаторами. Новый метод опубликован в журнале ACS Nano.

Материалы, которые состоят из нескольких ультратонких слоев — новая захватывающая область исследования материалов. С тех пор, как впервые был изготовлен высокопроизводительный материал графен, который состоит только из одного слоя атомов углерода, было разработано много новых тонкопленочных материалов, часто с многообещающими новыми свойствами.

Ученые исследовали комбинацию графена и дисульфида молибдена. Два слоя материала вступают в контакт, а затем прилипают друг к другу под действием слабых сил Ван-дер-Ваальса. Графен — очень хороший проводник, дисульфид молибдена — полупроводник, и эта комбинация может быть интересна для производства новых типов устройств хранения данных, заявляют ученые.

Однако для определенных применений геометрия материала должна быть специально обработана в масштабе нанометров — например, для изменения химических свойств путем добавления дополнительных типов атомов или для контроля оптических свойств поверхности. Можно модифицировать поверхности с помощью электронного пучка или обычного ионного пучка. Однако в двухслойной системе всегда существует проблема — пучок ионов воздействует на оба слоя одновременно, даже если в задаче стоит изменить лишь один слой.

Когда ионный пучок используется для обработки поверхности, обычно сила удара ионов влияет на материал. Однако новм методе ученых используются относительно медленные ионы, которые многозарядны.

«Здесь необходимо различать две разные формы энергии. С одной стороны, существует кинетическая энергия, которая зависит от скорости, с которой ионы воздействуют на поверхность. С другой стороны, существует потенциальная энергия, которая определяется электрическим зарядом ионов. В пучках ионов кинетическая энергия играет решающую роль, но для ученых особенно важна именно потенциальная.

Существует важное различие между этими двумя формами энергии: в то время как кинетическая энергия выделяется в обоих слоях материала при проникновении в систему слоев, потенциальная энергия может распределяться очень неравномерно между слоями.

Дисульфид молибдена очень сильно реагирует на сильно заряженные ионы. Один ион, попадающий в этот слой, может удалить десятки или сотни атомов из слоя. Остается лишь дыра, которую очень хорошо видно под электронным микроскопом С другой стороны, слой графена, в который снаряд попадает сразу после удара, остается неповрежденным: большая часть потенциальной энергии уже выпущена.

Тот же эксперимент можно также обратить вспять. Сильно заряженный ион сначала попадает на графен, а затем — на слой дисульфида молибдена. В этом случае оба слоя остаются неповрежденными: графен обеспечивает ион электронами, необходимыми для его электрической нейтрализации за доли секунды. Подвижность электронов в графене настолько высока, что точка удара также немедленно «остывает». Ион пересекает графеновый слой, не оставляя постоянного следа. После этого он больше не может вызывать значительных повреждений в слое дисульфида молибдена.

Это дает ученым новый метод целенаправленного управления поверхностями. Появилась возможность добавлять нанопоры на поверхности, не повреждая материал подложки под ним. Это поможет создавать геометрические структуры, которые раньше были невозможны. Можно создать «маски» из дисульфида молибдена, перфорированного точно по желанию, на который затем наносятся определенные атомы металла. Это открывает совершенно новые возможности для контроля химических, электронных и оптических свойств поверхности.

  • Автор: Анастасия Никифорова
СЛЕДУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ РАЗДЕЛА "Технологии"