Esquema da montagem experimental. O feixe de íons é direcionado para um filme de grafeno independente em geometria de transmissão. Crédito:Nano Letras (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.4c00356 Materiais bidimensionais como o grafeno prometem formar a base de tecnologias incrivelmente pequenas e rápidas, mas isso requer uma compreensão detalhada de suas propriedades eletrônicas. Novas pesquisas demonstram que processos eletrônicos rápidos podem ser investigados irradiando primeiro os materiais com íons.
Uma colaboração envolvendo pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign e da Universidade de Duisburg-Essen mostrou que quando o grafeno é irradiado com íons, ou átomos eletricamente carregados, os elétrons ejetados fornecem informações sobre o comportamento eletrônico do grafeno.
Além disso, o grupo de Illinois realizou os primeiros cálculos envolvendo grafeno de alta temperatura, e o grupo de Duisburg-Essen verificou experimentalmente as previsões por irradiação. Esta pesquisa foi publicada na revista Nano Letters.
“Irradiar materiais e observar a mudança nas propriedades para deduzir o que está acontecendo dentro do material é uma técnica bem estabelecida, mas agora estamos dando os primeiros passos no sentido de usar íons em vez de luz laser para esse propósito”, disse André Schleife, do grupo de Illinois. líder e professor de ciência e engenharia de materiais.
"A vantagem é que os íons permitem excitações altamente localizadas e de curta duração no material, em comparação com o que a luz laser pode fazer. Isso permite estudos de alta precisão de como o grafeno e outros materiais 2D evoluem ao longo do tempo."
Quando um íon colide com um material 2D, a energia é transferida tanto para os núcleos atômicos quanto para os elétrons. Alguns dos elétrons recebem energia suficiente para serem ejetados do material. As características desses chamados "elétrons secundários" são determinadas pelas características dos elétrons no material, como temperatura e distribuição de energia.
"Há um atraso entre o 'impacto' do íon e a emissão de elétrons secundários, e essa é a informação chave que buscamos em nossas simulações", disse Yifan Yao, principal autor do estudo e estudante de pós-graduação no grupo de pesquisa de Schleife. "Fizemos isso para o grafeno no zero absoluto, sem energia térmica presente, bem como para o grafeno que tem energia térmica e uma temperatura mais alta. Na verdade, somos os primeiros a simular o grafeno 'quente' como este."
O grupo de Illinois realizou cálculos baseados em grafeno irradiado com íons de hidrogênio – prótons nus – e calculou como os elétrons secundários foram liberados ao longo do tempo e o espectro de energia resultante. Esses resultados concordaram bem com os resultados do grupo Duisburg-Essen que utilizou íons argônio e xenônio.
Além disso, o estudo computacional fornece informações sobre os mecanismos subjacentes à emissão de elétrons secundários. O grafeno de alta temperatura liberou mais elétrons secundários, e um exame cuidadoso das distribuições de carga indicou que os núcleos atômicos na rede do material, e não os elétrons do material, são os responsáveis.
Segundo Schleife, a promessa desta técnica vai além das medições precisas de materiais 2D. “Olhando para o futuro, existe a possibilidade de que a irradiação iônica possa ser usada para introduzir deliberadamente defeitos em materiais e manipulá-los”, disse ele. "Mas, no curto prazo, mostramos que a irradiação pode ser usada como uma técnica de medição de alta precisão."
