Que se passe-t-il lorsque les ions traversent des matériaux solides ? Il est presque impossible de l'observer directement, mais les scientifiques de la TU Wien ont trouvé un moyen de surmonter ce problème.

Des états atomiques très inhabituels sont produits à la TU Wien :les ions sont créés en enlevant non pas un, mais 20 à 40 électrons de chaque atome. Ces "ions hautement chargés" jouent un rôle important dans la recherche actuelle.

Pendant longtemps, les gens ont étudié ce qui se passe lorsque des ions aussi hautement chargés frappent des matériaux solides. Ceci est important pour de nombreux domaines d'application dans la recherche sur les matériaux. Il est donc crucial de savoir comment l'état de charge des ions change lorsqu'ils pénètrent dans un matériau, mais c'est exactement ce qui était impossible à observer directement jusqu'à présent. De nouvelles mesures à TU Wien (Vienne) montrent que les ions obéissent à des lois remarquablement simples.

Sonder les matériaux couche par couche

Lorsque des ions fortement chargés pénètrent dans un matériau solide, ils peuvent récupérer les électrons manquants du matériau et ainsi devenir électriquement neutres. Mais comment et où cela se produit exactement est difficile à enquêter, car cela se passe à l'intérieur du matériau.

"Nous savions que ce processus devait être très rapide, car même une couche assez fine de matériau suffit à neutraliser complètement les ions, " dit Anna Niggas, premier auteur de la présente étude. Elle prépare actuellement sa thèse dans le groupe du professeur Richard Wilhelm à l'Institut de physique appliquée de la TU Wien.

L'observation visuelle des processus à l'intérieur du matériau peut être presque impossible, mais de nouveaux matériaux 2D tels que le graphène, qui se compose d'une seule couche d'atomes de carbone, permettent désormais aux scientifiques d'aller au fond de ces phénomènes pour la première fois :« Les couches de graphène peuvent être empilées les unes sur les autres, afin que des échantillons de plus en plus épais soient créés - vous pouvez assembler un corps solide couche par couche, " dit Richard Wilhelm. " Nous avons étudié célibataire, double et triple couches de graphène. De cette façon, on voit pas à pas, couche atomique par couche atomique, comment les ions hautement chargés changent.

De cette façon, vous pouvez étudier une transition, d'une seule couche atomique à un matériau tridimensionnel ordinaire. Graphite, le matériau des mines de crayon est composé de, n'est rien de plus qu'un grand nombre de couches de graphène empilées les unes sur les autres.

C'est le temps qui compte

Les ions traversent les différentes couches de carbone à différentes vitesses. Il s'avère que le facteur décisif est le temps que le projectile passe à proximité immédiate des couches atomiques. "Si l'on tient compte du fait que les ions passent deux ou trois fois plus de temps en contact avec des atomes de carbone sur leur chemin à travers deux ou trois couches de graphène que dans une seule couche de graphène, alors il peut être expliqué avec une formule simple à quelle vitesse les ions capturent les électrons et changent leur état de charge, " explique Anna Niggas. " Avec nos résultats, nous pouvons maintenant calculer pour la première fois de combien de couches atomiques vous avez besoin jusqu'à ce que les ions soient électriquement neutres."

Dynamique avec une grande importance

Afin d'étudier la dynamique de la capture électronique, il faut d'abord préparer les échantillons très soigneusement. Le Dr Bernhard C. Bayer de l'Institut de chimie des matériaux de la TU Wien a réussi à caractériser avec précision les couches atomiques à l'aide de la microscopie à haute résolution, un défi de taille lorsque très peu de matériel est disponible pour l'étude des couches atomiquement minces.

Les nouvelles découvertes sont importantes pour de nombreux domaines de recherche :d'une part, On peut ainsi étudier des phénomènes très fondamentaux et difficiles d'accès avec d'autres méthodes. D'autre part, l'interaction entre les ions et les matériaux solides est également importante pour des applications très pratiques, par exemple dans l'analyse des matériaux, où les ions sont utilisés pour étudier en détail les propriétés de nouveaux types de matériaux, ou dans la technologie des semi-conducteurs, où les faisceaux d'ions sont utilisés pour structurer les circuits.