高度に荷電したイオンが、絶縁表面上の小さな金塊に衝突します。 クレジット: ucyborg.com/studio
金で作られた小さな構造は、ウィーン工科大学 (TU Wien) のイオン衝撃によって特別に操作することができます。驚くべきことに、決定的な要因は衝撃の力ではありません。
ウィーン工科大学の研究者は、高荷電イオンを金粒子に衝突させることで、金の小さな粒子の形状を制御する方法を発見しました。 粒子のサイズと形状を変更することで、量子ドットを含む新しい種類のナノ構造を作成できると研究者は述べています。 高荷電イオンが金から電子を奪い、粒子の電子構造を変化させ、原子を動かします。 ナノ金構造はもはや無尽蔵の電子貯蔵庫と見なすことはできませんが、より大きな金構造は、失われた電子を置き換えるために新しい電子を受け取ることができます。
通常、物理学ではどちらかを選択する必要があります。金属板やその材料特性などの大きなものを扱うか、個々の原子などの小さなものを扱うかです。 しかし、その間にも世界があります。マクロ世界の効果とミクロスコピック世界の効果の両方が役割を果たす、小さいがまだ小さくないものの世界です。
ウィーン工科大学で実施された実験は、この複雑な中間の世界にあります。数千個の原子で構成され、直径が 10 ナノメートルのオーダーの非常に小さな金片が、高荷電イオンで衝突されます。 これにより、これらの金片の形状とサイズを目的の方法で変更することができます。 結果は次のことを示しています: この過程で起こることは、砂のバンカーにゴルフボールが衝突するように単純に描写することはできません。イオンと金片の相互作用は、はるかに微妙です。
イオン衝撃によって伝達されるエネルギー
「私たちは多重イオン化キセノン原子を扱っています。 これらの原子から最大 40 個の電子が取り除かれるため、これらの原子は非常に帯電しています」とウィーン工科大学応用物理学研究所の Richard Wilhelm 教授は述べています。 これらの高荷電イオンは、絶縁基板上に配置された小さな金の島に衝突します。その後、さまざまなことが起こります。金の島は平らになり、溶け、蒸発することさえあります。 「イオンがどれだけ帯電しているかに応じて、さまざまな効果を引き起こすことができます」と、現在の研究の筆頭著者であり、現在 Richard Wilhelm のチームで論文に取り組んでいる Gabriel Szabo は言います。
高度に荷電したイオンは、秒速約 500 キロメートルという高速で小さな金塊に衝突します。 それにもかかわらず、金の島々を変えるのは衝撃の力ではありません。 このプロセスは、ゴルフ ボールが砂の山にぶつかるのとはまったく異なります。または、素敵に装飾されたバースデー ケーキにテニス ボールが偶発的にぶつかるのとはまったく異なります。
「同じ運動エネルギーで荷電していないキセノン原子を金の島に向けて発射すると、金の島はほとんど変化しません」と Gabriel Szabo は言います。 「したがって、決定的な要因は運動エネルギーではなく、イオンの電荷です。 この電荷もエネルギーを運び、衝突点に正確に蓄積されます。」
電子構造の変化
非常に強く正に帯電したイオンがナノ金片に当たるとすぐに、金から電子を奪います。 大きな金片では、これは大きな影響を与えません。金は優れた導体であり、電子は自由に移動でき、金塊の他の領域からより多くの電子が供給されます。 しかし、ナノゴールド構造は非常に小さいため、無尽蔵の電子貯蔵庫とは見なされません。 まさにここで、巨視的な金属と小さな原子クラスターとその中間の世界に入ります。[{” attribute=””>nanoscale properties.
“The charge energy of the impacting ion is transferred to the gold, thus the electronic structure of the entire nano-gold object is thrown completely out of balance, the atoms start to move and the crystal structure of the gold is destroyed,” explains Richard Wilhelm. “Depending on how much energy you deposit, it may even happen that the entire nano-gold piece melts or is vaporised.”
The effects of the ion bombardment can then be studied in an atomic force microscope: Depending on the charge of the ions, the height of the gold pieces is reduced to a lesser or greater extent, Gabriel Szabo reports: “Just as our models had also predicted, we can control the impact of the ions on the gold — and not by the speed we give our projectiles, but rather by their charge.”
Improved control and deeper understanding of such processes is important for making a wide variety of nanostructures. “It’s a technique that allows you to selectively edit the geometry of particularly small structures. That’s just as interesting for the creation of microelectronic components as it is for so-called quantum dots — tiny structures that allow very specific tailor-made electronic or optical effects due to their quantum physical properties,” says Richard Wilhelm.
And it is another insight into the world of small but not yet tiny things — into the multifaceted intermediate world between quantum physics and solid-state physics, which can only be understood by keeping quantum and many-particle phenomena in mind at the same time.
Reference: “Charge-State-Enhanced Ion Sputtering of Metallic Gold Nanoislands” by Gabriel L. Szabo, Benedykt R. Jany, Helmut Muckenhuber, Anna Niggas, Markus Lehner, Arkadiusz Janas, Paul S. Szabo, Ziyang Gan, Antony George, Andrey Turchanin, Franciszek Krok and Richard A. Wilhelm, 22 March 2023, Small.
DOI: 10.1002/smll.202207263