Ion hautement chargé frappant un matériau composé de plusieurs couches. Crédit :TU Vienne
Personne ne peut tirer une balle à travers une banane de telle sorte que la peau soit perforée mais la banane reste intacte. Cependant, au niveau des couches atomiques individuelles, les chercheurs de la TU Wien (Vienne) ont maintenant réussi un tel exploit :ils ont développé une méthode de nano-structuration avec laquelle certaines couches de matériau peuvent être perforées de manière extrêmement précise et d'autres laissées complètement intactes, même si le projectile pénètre dans toutes les couches. Ceci est rendu possible à l'aide d'ions hautement chargés. Ils peuvent être utilisés pour traiter sélectivement les surfaces de nouveaux systèmes de matériaux 2D, par exemple, d'y ancrer certains métaux, qui peuvent alors servir de catalyseurs. La nouvelle méthode a été publiée dans la revue ACS Nano .
Nouveaux matériaux à partir de couches ultra-fines
Les matériaux composés de plusieurs couches ultra-minces sont considérés comme un nouveau domaine passionnant de recherche sur les matériaux. Le graphène matériau haute performance, qui se compose d'une seule couche d'atomes de carbone, a été utilisé dans de nombreux nouveaux matériaux à couche mince avec de nouvelles propriétés prometteuses.
"Nous avons étudié une combinaison de graphène et de bisulfure de molybdène. Les deux couches de matériau sont mises en contact puis adhèrent l'une à l'autre par de faibles forces de van der Waals, " déclare le Dr Janine Schwestka de l'Institut de physique appliquée à TU WIen et premier auteur de la publication actuelle. "Le graphène est un très bon conducteur, le bisulfure de molybdène est un semi-conducteur, et la combinaison pourrait être intéressante pour la production de nouveaux types de dispositifs de stockage de données."
Pour certaines applications, cependant, la géométrie du matériau doit être spécifiquement traitée à l'échelle du nanomètre, par exemple, afin de modifier les propriétés chimiques en ajoutant des types d'atomes supplémentaires ou de contrôler les propriétés optiques de la surface. "Il existe différentes méthodes pour cela, " explique Janine Schwestka. " Vous pouvez modifier les surfaces avec un faisceau d'électrons ou avec un faisceau d'ions conventionnel. Avec un système à deux couches, cependant, il y a toujours le problème que le faisceau affecte les deux couches en même temps, même si un seul d'entre eux est censé être modifié.
Le projectile pénètre toutes les couches, mais seulement dans la couche supérieure, un grand trou est créé. Le graphène ci-dessous reste intact. Crédit :TU Vienne
Deux types d'énergie.
Lorsqu'un faisceau d'ions est utilisé pour traiter une surface, c'est généralement la force de l'impact des ions qui affecte le matériau. A la TU Vienne, cependant, des ions relativement lents sont utilisés, qui sont facturés à plusieurs reprises. « Il faut distinguer ici deux formes différentes d'énergie, " explique le professeur Richard Wilhelm. " D'une part, il y a l'énergie cinétique, qui dépend de la vitesse à laquelle les ions impactent la surface. D'autre part, il y a l'énergie potentielle, qui est déterminé par la charge électrique des ions. Avec des faisceaux d'ions conventionnels, l'énergie cinétique joue le rôle décisif, mais pour nous, l'énergie potentielle est particulièrement importante.
Il existe une différence importante entre ces deux formes d'énergie :alors que l'énergie cinétique est libérée dans les deux couches de matériau lors de la pénétration du système de couches, l'énergie potentielle peut être répartie de manière très inégale entre les couches :« Le bisulfure de molybdène réagit très fortement aux ions fortement chargés, " dit Richard Wilhelm. " Un seul ion arrivant à cette couche peut enlever des dizaines ou des centaines d'atomes de la couche. Ce qui reste est un trou, qui peut être vu très clairement au microscope électronique. » La couche de graphène, d'autre part, que le projectile frappe immédiatement après, reste intacte :la majeure partie de l'énergie potentielle a déjà été libérée.
La même expérience peut également être inversée, de sorte que l'ion hautement chargé frappe d'abord le graphène et seulement ensuite la couche de bisulfure de molybdène. Dans ce cas, les deux couches restent intactes :le graphène fournit à l'ion les électrons nécessaires pour le neutraliser électriquement en une infime fraction de seconde. La mobilité des électrons dans le graphène est si élevée que le point d'impact « se refroidit » également immédiatement. L'ion traverse la couche de graphène sans laisser de trace permanente. Après, il ne peut plus causer beaucoup de dégâts dans la couche de bisulfure de molybdène.
« Cela nous fournit maintenant une nouvelle méthode merveilleuse pour manipuler les surfaces de manière ciblée, " explique Richard Wilhelm. " Nous pouvons ajouter des nanopores aux surfaces sans endommager le matériau du substrat en dessous. Cela nous permet de créer des structures géométriques qui étaient auparavant impossibles." De cette façon, il est possible de créer des "masques" à partir de bisulfure de molybdène perforé exactement comme on le souhaite, sur laquelle se déposent ensuite certains atomes métalliques. Cela ouvre des possibilités complètement nouvelles pour contrôler le produit chimique, propriétés électroniques et optiques de la surface.
