Une collaboration impliquant des chercheurs de l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign et de l'Université de Duisburg-Essen a montré que lorsque le graphène est irradié avec des ions ou des atomes chargés électriquement, les électrons éjectés donnent des informations sur le comportement électronique du graphène.

De plus, le groupe de l'Illinois a effectué les premiers calculs impliquant du graphène à haute température, et le groupe de Duisburg-Essen a vérifié expérimentalement les prédictions par irradiation. Cette recherche a été rapportée dans la revue Nano Letters.

"Irradier des matériaux et observer les changements de propriétés pour déduire ce qui se passe à l'intérieur du matériau est une technique bien établie, mais nous faisons désormais les premiers pas vers l'utilisation d'ions au lieu de la lumière laser à cette fin", a déclaré André Schleife, du groupe de l'Illinois. responsable et professeur de science et d'ingénierie des matériaux.

"L'avantage est que les ions permettent des excitations très localisées et de courte durée dans le matériau par rapport à ce que la lumière laser peut faire. Cela permet des études de haute précision sur la façon dont le graphène et d'autres matériaux 2D évoluent au fil du temps."

Lorsqu’un ion entre en collision avec un matériau 2D, l’énergie est transférée à la fois aux noyaux atomiques et aux électrons. Certains électrons reçoivent suffisamment d’énergie pour être éjectés du matériau. Les caractéristiques de ces soi-disant « électrons secondaires » sont déterminées par les caractéristiques des électrons présents dans le matériau, telles que leur température et leur répartition des énergies.

"Il y a un délai entre" l'impact "de l'ion et l'émission d'électrons secondaires, et c'est l'information clé que nous recherchions dans nos simulations", a déclaré Yifan Yao, auteur principal de l'étude et étudiant diplômé du groupe de recherche de Schleife. "Nous avons fait cela pour le graphène au zéro absolu sans énergie thermique, ainsi que pour le graphène qui a de l'énergie thermique et une température plus élevée. Nous sommes en fait les premiers à simuler du graphène "chaud" comme celui-ci."

Le groupe de l'Illinois a effectué des calculs basés sur du graphène irradié avec des ions hydrogène (des protons nus) et a calculé comment les électrons secondaires étaient libérés au fil du temps et leur spectre d'énergie résultant. Ces résultats concordaient bien avec les résultats du groupe Duisburg-Essen qui utilisait des ions argon et xénon.

De plus, l’étude informatique donne un aperçu des mécanismes sous-jacents de l’émission d’électrons secondaires. Le graphène à haute température a libéré davantage d'électrons secondaires, et un examen attentif des distributions de charges a indiqué que les noyaux atomiques du réseau du matériau en sont responsables plutôt que les électrons du matériau.

Selon Schleife, les promesses de cette technique vont au-delà des mesures de précision des matériaux en 2D. "Dans les années à venir, il est possible que l'irradiation ionique puisse être utilisée pour introduire délibérément des défauts dans les matériaux et les manipuler", a-t-il déclaré. "Mais, à court terme, nous avons montré que l'irradiation peut être utilisée comme technique de mesure de haute précision."