Ralenti électronique : la physique des ions à l'échelle de la femtoseconde

22 août 2022

par l'Université de technologie de Vienne

Comment les différents matériaux réagissent-ils à l'impact des ions ? C'est une question qui joue un rôle important dans de nombreux domaines de recherche - par exemple, dans la recherche sur la fusion nucléaire, lorsque les parois du réacteur à fusion sont bombardées par des ions à haute énergie, mais aussi dans la technologie des semi-conducteurs, lorsque les semi-conducteurs sont bombardés d'ions poutres pour produire de minuscules structures.

Le résultat d'un impact ionique sur un matériau est facile à étudier rétrospectivement. Cependant, il est difficile de comprendre la séquence temporelle de tels processus. Un groupe de recherche de la TU Wien a maintenant réussi à analyser sur une échelle de temps d'une femtoseconde ce qui arrive aux particules individuelles impliquées lorsqu'un ion pénètre dans des matériaux tels que le graphène ou le bisulfure de molybdène. Une analyse minutieuse des électrons qui sont émis dans le processus était cruciale : ils peuvent être utilisés pour reconstruire la séquence temporelle des processus - d'une certaine manière, la mesure devient un « ralenti électronique ». Les résultats ont maintenant été publiés dans Physical Review Letters et ont été sélectionnés comme suggestion de l'éditeur.

Le groupe de recherche du professeur Richard Wilhelm à l'Institut de physique appliquée de la TU Wien travaille avec des ions hautement chargés. Les atomes de xénon, qui ont 54 électrons dans leur état neutre, sont dépouillés de 20 à 40 électrons, et les ions xénon fortement chargés positivement qui restent sont alors dirigés sur une fine couche de matériau.

"Nous nous intéressons particulièrement à l'interaction de ces ions avec le matériau graphène, qui se compose d'une seule couche d'atomes de carbone", explique Anna Niggas, première auteure de l'article actuel. "C'est parce que nous savions déjà, grâce à des expériences précédentes, que le graphène avait des propriétés très intéressantes. Le transport d'électrons dans le graphène est extrêmement rapide."

Les particules réagissent si rapidement qu'il n'est pas possible d'observer directement les processus. Mais il existe des astuces spéciales qui peuvent être utilisées : "Au cours de tels processus, un grand nombre d'électrons est généralement également libéré", explique Anna Niggas. "Nous avons pu mesurer très précisément le nombre et l'énergie de ces électrons, comparer les résultats avec les calculs théoriques apportés par nos co-auteurs de l'Université de Kiel, et cela nous a permis de démêler ce qui se passe à l'échelle femtoseconde."

Tout d'abord, l'ion hautement chargé s'approche de la fine couche de matériau. Du fait de sa charge positive, il génère un champ électrique et influence ainsi les électrons du matériau - déjà avant l'impact, les électrons du matériau se déplacent en direction du site d'impact. À un moment donné, le champ électrique devient si fort que des électrons sont arrachés au matériau et capturés par l'ion hautement chargé. Immédiatement après, l'ion frappe alors la surface et pénètre dans le matériau. Il en résulte une interaction complexe ; l'ion transfère beaucoup d'énergie au matériau en peu de temps et des électrons sont émis.

S'il manque des électrons dans le matériau, la charge positive reste. Cependant, cela est rapidement compensé par des électrons provenant d'autres zones du matériau. Dans le graphène, ce processus est extrêmement rapide ; de forts courants se forment dans le matériau à l'échelle atomique pendant une courte période. Dans le bisulfure de molybdène, ce processus est un peu plus lent. Dans les deux cas, cependant, la répartition des électrons dans le matériau influence à son tour les électrons qui ont déjà été libérés du matériau - et pour cette raison, s'ils sont soigneusement détectés, ces électrons émis fournissent des informations sur la structure temporelle de l'impact. . Seuls les électrons rapides peuvent quitter le matériau, les électrons plus lents se retournent, sont recapturés et ne finissent pas dans le détecteur d'électrons.

L'ion n'a besoin que d'environ une femtoseconde pour pénétrer une couche de graphène. Des processus sur des échelles de temps aussi courtes pouvaient auparavant être mesurés avec des impulsions laser ultracourtes, mais dans ce cas, ils déposeraient beaucoup d'énergie dans le matériau et modifieraient complètement le processus. "Avec notre méthode, nous avons trouvé une approche qui permet de nouvelles perspectives assez fondamentales", déclare Richard Wilhelm, responsable d'un projet FWF START à la TU Wien. "Les résultats nous aident à comprendre comment la matière réagit à une exposition très courte et très intense aux rayonnements, non seulement aux ions, mais aussi aux électrons ou à la lumière."

Plus d'information: Anna Niggas et al, Dynamique de charge de surface induite par les ions dans des monocouches autoportantes de graphène et de MoS2 sondées par l'émission d'électrons, Physical Review Letters (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.129.086802

Informations sur la revue :Lettres d'examen physique

Fourni par l'Université de technologie de Vienne