Los materiales bidimensionales como el grafeno prometen formar la base de tecnologías increíblemente pequeñas y rápidas, pero esto requiere una comprensión detallada de sus propiedades electrónicas. Una nueva investigación demuestra que los procesos electrónicos rápidos pueden investigarse irradiando primero los materiales con iones.
Una colaboración entre investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y la Universidad de Duisburg-Essen ha demostrado que cuando el grafeno se irradia con iones o átomos cargados eléctricamente, los electrones que se expulsan dan información sobre el comportamiento electrónico del grafeno. Además, el grupo de Illinois realizó los primeros cálculos con grafeno a alta temperatura, y el grupo de Duisburg-Essen verificó experimentalmente las predicciones mediante irradiación. Esta investigación fue reportada en la revista. Nano letras.
«Irradiar materiales y observar el cambio de propiedades para deducir lo que sucede dentro del material es una técnica bien establecida, pero ahora estamos dando los primeros pasos hacia el uso de iones en lugar de luz láser para ese propósito», dijo André Schleife, del grupo de Illinois. líder y profesor de ciencia e ingeniería de materiales. «La ventaja es que los iones permiten excitaciones altamente localizadas y de corta duración en el material en comparación con lo que puede hacer la luz láser. Esto permite estudios de alta precisión de cómo el grafeno y otros materiales 2D evolucionan con el tiempo».
Cuando un ion choca con un material 2D, la energía se transfiere tanto a los núcleos atómicos como a los electrones. A algunos de los electrones se les da suficiente energía para ser expulsados del material. Las características de los llamados «electrones secundarios» están determinadas por las características de los electrones del material, como su temperatura y distribución de energía.
«Hay un retraso entre el ‘impacto’ del ion y la emisión de electrones secundarios, y esa es la información clave que buscábamos en nuestras simulaciones», dijo Yifan Yao, autor principal del estudio y estudiante graduado en el grupo de investigación de Schleife. «Hicimos esto con grafeno en cero absoluto sin energía térmica presente, así como con grafeno que tiene energía térmica y una temperatura más alta. De hecho, somos los primeros en simular grafeno ‘caliente’ de esta manera».
El grupo de Illinois realizó cálculos basados en grafeno irradiado con iones de hidrógeno (protones desnudos) y calculó cómo se liberaban electrones secundarios a lo largo del tiempo y su espectro de energía resultante. Estos resultados coincidieron bien con los resultados del grupo Duisburg-Essen que utilizó iones de argón y xenón.
Además, el estudio computacional proporciona información sobre los mecanismos subyacentes de la emisión secundaria de electrones. El grafeno a alta temperatura liberó más electrones secundarios, y un examen cuidadoso de las distribuciones de carga indicó que los responsables son los núcleos atómicos en la red del material y no los electrones del material.
Según Schleife, la promesa de esta técnica va más allá de las mediciones precisas de materiales en 2D. «Mirando hacia el futuro, existe la posibilidad de que la irradiación de iones pueda usarse para introducir deliberadamente defectos en los materiales y manipularlos», dijo. «Pero, a corto plazo, hemos demostrado que la irradiación puede utilizarse como técnica de medición de alta precisión».