Главная » Статьи » Электронный пучок научили двигать атомы кремния по графену

Электронный пучок научили двигать атомы кремния по графену

Физики разработали метод управляемого перемещения отдельных атомов кремния по решетке графена с помощью электронного пучка. Десятисекундные электронные импульсы заставили атомы двигаться по заданной траектории, например, по вершинам шестиугольника или перескакивать между двумя положениями. Полученные результаты также позволили более точно описать механизм такого перемещения теоретически, пишут ученые в Nano Letters.

Возможность управляемого движения отдельных атомов по кристаллической поверхности впервые была продемонстрирована около 25 лет назад. Сейчас это чаще всего делают с помощью атомно-силового микроскопа, однако таким образом удается перемещать в первую очередь адсорбированные атомы, достаточно слабо связанные с поверхностью. Несколько сложнее двигать атомы, встроенные в кристаллическую решетку с помощью ковалентных связей. Необходимость подобного перемещения может возникнуть, например, в графене — гексагональной решетке из атомов углерода, в которой нередко можно встретить примесные атомы, например, кремния.

Для перемещения атома кремния по решетке ему фактически нужно поменяться местами с соседним атомом углерода, и такой процесс физики уже предлагали проводить с помощью сфокусированного электронного пучка, который разрушает некоторые связи в решетке, что ведет к перестройке локальной структуры и «прыжку» атома кремния в соседнюю ячейку. Хотя принципиальную возможность перемещения атомов с помощью просвечивающего электронного микроскопа уже удалось показать, проводить этот процесс с достаточной степенью контроля раньше не удавалось.

Группа физиков из Австрии, Норвегии и Бельгии под руководством Томы Суси (Toma Susi) из Венского университета нашла способ, с помощью которого отдельные примесные атомы кремния можно двигать по решетке графена с помощью электронного пучка просвечивающего микроскопа по четко заданной траектории. Положение атома кремния в процессе перемещения определялось с помощью электронных спектроскопических методов — в частности, по контрасту рассеяния и спектроскопии энергетических потерь электронами, — с помощью которых следить за «прыжками» атома кремния по решетке можно было в реальном времени.

Длительность электронного импульса энергией до 60 килоэлектронвольт ученые сократили до 10 секунд, при этом диаметр облучаемого участка достигал 0,11 нанометра, то есть фактически пучок воздействовал на конкретный атом и заставлял его перескакивать по решетке в нужном направлении.

Ученые отмечают, что если центр электронного пучка направить на тот атом углерода, позицию которого должен занять после перескока кремний, то вероятность такого прыжка значительно повышается и траекторию атома кремния можно таким образом задавать заранее. В частности, с помощью такого подхода ученым удалось заставить примесный атом кремния перемещаться по узлам шестиугольника в решетке графена, совершив в общей сложности 75 прыжков, или двигаться между двумя позициями в решетке, 67 раз перепрыгивая между ними туда и обратно. По словам ученых, как правило, для перескока достаточно одного или двух десятисекундных импульсов, в редких случаях облучать приходилось чаще. Иногда атомы совершают сразу двойные прыжки, но такие события случаются довольно редко: в среднем — лишь в каждом двадцатом случае.

Кроме того, ученым удалось уточнить теоретические модели, которые использовались для описания перестроения связей во время перескока атома по решетке. В частности, оказалось, что при этом происходит образование промежуточного дефекта Стоуна — Уэйлса, состоящего из пятичленного и семичленного циклов.

По словам ученых, поскольку вероятность ошибки или двойного прыжка при использовании предложенного подхода довольно низкая, то этот метод можно автоматизировать, задавая траекторию точки фокуса электронного пучка. Однако при этом для перемещения атомов на достаточно большое расстояние необходим графен достаточно хорошего качества, выращенный из изотропных прекурсоров.

Авторы работы утверждают, что управляемое положение примесных атомов в двумерном кристалле в будущем можно будет использовать, например, для создания систем хранения информации с атомарным разрешением. Кроме того, по словам ученых, скорее всего, подобные подходы удастся перенести с двумерных систем и на трехмерные кристаллы, что невозможно делать с помощью атомно-силового микроскопа.

Стоит отметить, что, с некоторыми трехмерными задачами по перемещению атомов и молекул современные атомно-силовые микроскопы уже справляются. Например, недавно ученые смогли с помощью иголки атомно-силового микроскопа поставить плоскую органическую молекулу перпендикулярно поверхности и зафиксировать ее в таком положении.

Александр Дубов