Les ions sont un outil essentiel dans la fabrication de puces, mais ces atomes chargés électriquement peuvent également être utilisés pour produire des nano-tamis à pores répartis de manière homogène. Un nombre particulièrement important d'électrons, cependant, doivent être retirés des atomes à cette fin. De tels ions hautement chargés perdent une quantité d'énergie étonnamment importante ou presque aucune énergie lorsqu'ils traversent une membrane qui ne mesure qu'un nanomètre d'épaisseur. Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et de l'Université de technologie de Vienne (TU Wien) rapportent dans la revue scientifique Lettres d'examen physique que cette découverte est une étape importante vers le développement de nouveaux types de composants électroniques en graphène.

Bien que les ions fortement chargés ne causent des dommages que sur une zone très limitée de la surface d'un matériau, ils le font de manière extrêmement efficace. Cela en fait un outil idéal pour des tâches spéciales, comme la perforation de films ultra-minces de carbone qui ne mesurent qu'un nanomètre d'épaisseur (un nanomètre =un millionième de millimètre). Le résultat est un nano-tamis technologiquement utilisable qui pourrait, par exemple, séparer les différents gaz.

« Le matériel de bombardement avec des ions peut être comparé à des boules de billard frappantes, " selon Richard Wilhelm, doctorant à la HZDR. « Un joueur professionnel sait exactement sous quel angle il doit frapper le ballon pour réussir son tour. Ce faisant, le joueur calcule également l'énergie qui doit être transmise par une balle à une ou plusieurs des autres balles." Les ions se comportent de la même manière lorsqu'ils entrent en collision avec des atomes dans le matériau. Les ions ralentissent progressivement leur chemin à travers un grand nombre de collisions et perdent continuellement de l'énergie, comme une balle qui pénètre dans un tronc d'arbre et s'y immobilise.

Pour un matériau ultra-mince composé de quelques couches atomiques seulement, cette analogie, cependant, n'est pas applicable, comme le démontrent les résultats passionnants des dernières expériences au Ion Beam Center de HZDR. Wilhelm et ses collègues de Dresde et de Vienne ont observé pour la première fois lors d'expériences que les ions hautement chargés traversaient une nanomébrane pratiquement sans être affectés, ou perdu une quantité incroyable d'énergie en le faisant. On supposait auparavant, cependant, que les ions perdent toujours la même quantité d'énergie en moyenne.

Afin de voir cet effet nouvellement découvert, la membrane ne peut pas être plus épaisse qu'un nanomètre - la membrane de carbone, suspendu librement à un support, a été produit à l'Université de Bielefeld. En outre, les ions doivent avoir une charge positive élevée, ce qui signifie que de nombreux électrons ont été retirés à l'avance. Des ions xénon chargés 30 fois ont été utilisés. Deux événements différents peuvent se produire lorsque les ions xénon frappent la membrane ultra-mince. Alors qu'un ion peut pratiquement passer sans entrave entre les atomes de carbone de la nanomembrane, un ion différent pourrait entrer en collision avec l'un des atomes du matériau. Lors d'une telle collision, il traverse le nuage d'électrons de l'atome et aspire les électrons chargés négativement. Cette capture d'électrons conduit presque à la neutralisation de l'ion, entraînant une décélération considérable. Selon l'angle sous lequel l'ion continue de se déplacer après la collision, la perte d'énergie s'élève à dix pour cent.

"Nos expériences ont démontré pour la première fois que la perte d'énergie dans le matériau dépend considérablement de l'état de charge des ions. Nous soupçonnons une relation générale, ce qui ne pouvait pas être observé auparavant avec les matériaux plus épais habituels et dans des états de charge ionique inférieurs, " explique le doctorant HZDR Wilhelm.

Le graphène le « matériau miracle »

Les chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf et de l'Université de technologie de Vienne (TU Wien) aimeraient travailler avec le matériau prometteur du graphène comme prochaine étape. Le graphène est du carbone qui n'a qu'une couche atomique d'épaisseur. Il possède des propriétés presque exotiques, comme une durabilité extrême alors qu'il est également transparent et un métal. "De nombreux groupes dans le monde travaillent actuellement avec le graphène, mais très peu d'entre eux incorporent des atomes étrangers dans le matériau bidimensionnel. Si cela pouvait être fait de manière routinière par implantation ionique, cela pourrait conduire à de nouveaux composants électroniques avec des capacités inattendues, " explique Richard Wilhelm. Au sein du Ion Beam Center de la HZDR, plusieurs autres installations sont disponibles pour générer des ions hautement chargés pour des expériences avec le graphène. La TU Vienne, un partenaire de recherche de longue date, est de nouveau activement à bord.