Einzelne Photonen finden Anwendung in der Quantenberechnung, in Informationsnetzwerken und in Sensoren und können durch Defekte im atomar dünnen Isolator hexagonales Bornitrid (hBN) emittiert werden. Es wurde vermutet, dass fehlende Stickstoffatome die für diese Aktivität verantwortliche Atomstruktur sind, es ist jedoch schwierig, sie kontrolliert zu entfernen. Ein Team der Fakultät für Physik der Universität Wien hat nun gezeigt, dass einzelne Atome mit einem Rastertransmissionselektronenmikroskop im Ultrahochvakuum herausgeschleudert werden können. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Klein.
Mit der Transmissionselektronenmikroskopie können wir die atomare Struktur von Materialien erkennen und sind besonders gut geeignet, etwaige Defekte im Gitter der Probe, die je nach Anwendung schädlich oder nützlich sein können, direkt aufzudecken. Allerdings kann der energiereiche Elektronenstrahl auch die Struktur beschädigen, entweder durch elastische Stöße oder elektronische Anregungen oder eine Kombination aus beidem. Darüber hinaus können im Vakuum des Instruments verbleibende Gase zu Schäden beitragen, da dissoziierte Gasmoleküle Atome des Gitters wegätzen können. Bisher wurden Transmissionselektronenmikroskop-Messungen von hBN bei relativ schlechten Vakuumbedingungen durchgeführt, was zu schnellen Schäden führte. Aufgrund dieser Einschränkung ist nicht klar, ob Leerstellen – einzelne fehlende Atome – kontrollierbar erzeugt werden können.
An der Universität Wien gelang nun die Erzeugung einzelner Atomlücken mittels aberrationskorrigierter Rastertransmissionselektronenmikroskopie im nahen Ultrahochvakuum. Das Material wurde mit verschiedenen Elektronenstrahlenergien bestrahlt, was die gemessene Schadensrate beeinflusst. Bei niedrigen Energien erfolgt die Schädigung erheblich langsamer als zuvor unter schlechteren Restvakuumbedingungen gemessen. Bei mittleren Elektronenenergien können einzelne Bor- und Stickstoff-Leerstellen entstehen, und die Wahrscheinlichkeit, dass Bor aufgrund seiner geringeren Masse ausgestoßen wird, ist doppelt so hoch. Obwohl atomar präzise Messungen bei den höheren Energien, die bisher verwendet wurden, um hBN dazu zu bringen, einzelne Photonen zu emittieren, nicht möglich sind, sagen die Ergebnisse voraus, dass Stickstoff wiederum leichter auszustoßen ist, wodurch diese leuchtenden Leerstellen bevorzugt entstehen können.
Um zu diesen Schlussfolgerungen zu gelangen, waren solide Statistiken, die durch sorgfältige experimentelle Arbeit in Kombination mit neuen theoretischen Modellen gesammelt wurden, von entscheidender Bedeutung. Hauptautorin Thuy An Bui arbeitet seit ihrer Masterarbeit an dem Projekt: „Bei jeder Elektronenenergie musste ich viele Tage am Mikroskop verbringen und sorgfältig eine Datenreihe nach der anderen sammeln“, sagt sie. „Sobald die Daten gesammelt waren, nutzten wir maschinelles Lernen, um sie genau zu analysieren, obwohl selbst das viel Arbeit erforderte.“ Der leitende Autor Toma Susi fügt hinzu: „Um den Schadensmechanismus zu verstehen, haben wir ein Näherungsmodell erstellt, das Ionisierung mit Folgeschaden kombiniert. Dadurch konnten wir auf höhere Energien extrapolieren und ein neues Licht auf die Defektentstehung werfen.“
Trotz seiner isolierenden Natur zeigen die Ergebnisse, dass einschichtiges hexagonales Bornitrid unter Elektronenbestrahlung überraschend stabil ist, wenn chemisches Ätzen verhindert werden kann. In Zukunft könnte es möglich sein, mithilfe der Elektronenbestrahlung gezielt spezifische Leerstellen zu erzeugen, die einzelne Lichtphotonen emittieren, indem die gewünschten Gitterplätze selektiv mit einer fokussierten Elektronensonde bestrahlt werden. Es könnten auch neue Möglichkeiten zur atomar präzisen Manipulation entdeckt werden, die bisher für Verunreinigungsatome in Graphen und in massivem Silizium nachgewiesen wurden.
Die Arbeit wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (Grant Agreement Nr. 756277-ATMEN) und von der Vienna Doctoral School in Physics (VDS-P) unterstützt. Offene Daten und Code werden mit der Veröffentlichung bereitgestellt.
