制作小孔的艺术：在原子尺度上处理表面

高电荷的离子击中了由几层组成的材料。

您如何才能在材料的原子层上打孔，并保持其下面的一层完好无损？维也纳维也纳大学的科学家开发了一种用于处理原子级表面的技术。

没有人能以刺穿皮肤但香蕉仍完好无损的方式穿过香蕉射出手枪子弹。但是，在单个原子层的水平上，现在已经实现了这一壮举-维也纳工业大学（维也纳）开发了一种纳米结构化方法，利用该方法可以对某些材料层进行非常精确的穿孔，而其他材料则完全不受影响，即使弹丸穿透了所有层在高电荷离子的帮助下，这成为可能。它们可用于选择性地处理新型2D材料系统的表面，例如将某些金属锚固在其上，然后用作催化剂。该新方法现已发表在ACS Nano杂志上。

超薄层的新材料

由几个超薄层组成的材料被认为是材料研究的一个令人兴奋的新领域。自从仅由单层碳原子组成的高性能材料石墨烯问世以来，已经开发了许多新的薄膜材料，通常具有令人鼓舞的新特性。

弹丸穿透所有层，但仅在顶层会产生一个大洞。下面的石墨烯保持完整。

“我们研究了石墨烯和二硫化钼的组合。两层材料相互接触，然后通过弱的范德华力相互粘附。”来自美国维也纳大学应用物理研究所的Janine Schwestka博士说，他是本出版物的第一作者。“石墨烯是一种非常好的导体，二硫化钼是一种半导体，对于生产新型数据存储设备而言，这种结合可能很有趣。”

但是，对于某些应用程序，材料的几何形状需要在纳米级上进行特定处理，例如，以便通过添加其他类型的原子来更改化学性质或控制表面的光学性质。“对此有不同的方法，” Janine Schwestka解释说。“您可以用电子束或常规离子束修饰表面。然而，在两层系统中，总是存在这样的问题，即使应该仅修改其中的一层，光束也会同时影响到这两层。

左到右：F.Aumayr教授，J.Schwestka博士，DI A.Niggas教授，R.A。威廉。

当使用离子束处理表面时，通常是离子冲击力会影响材料。但是，在维也纳理工大学，使用了相对较慢的离子，这些离子被多重充电。“这里必须区分两种不同形式的能量，”理查德·威廉（Richard Wilhelm）教授解释说。“一方面，存在动能，这取决于离子撞击表面的速度。另一方面，存在势能，其由离子的电荷确定。对于传统的离子束，动能起着决定性的作用，但对我们而言，势能尤为重要。”

这两种形式的能量之间有一个重要的区别：当穿透层系统时，两个材料层都释放了动能，但势能在层之间的分布可能非常不均匀：理查德·威廉（Richard Wilhelm）说：“二硫化钼对带高电荷的离子反应非常强烈。”“到达该层的单个离子可以从该层中去除数十或数百个原子。剩下的是一个孔，在电子显微镜下可以很清楚地看到。”另一方面，弹丸紧随其后击中的石墨烯层则完好无损：大多数势能已被释放。

也可以颠倒相同的实验，以使高电荷离子首先撞击石墨烯，然后才撞击二硫化钼层。在这种情况下，两层都完好无损：石墨烯为离子提供了必要的电子，以在极短的几分之一秒内将其电中和。电子在石墨烯中的迁移率非常高，以至于冲击点也立即“冷却”。离子穿过石墨烯层而不会留下永久痕迹。此后，它不再会对二硫化钼层造成太大损害。

“这为我们现在提供了一种极好的新方法，可以有针对性地处理曲面，” Richard Wilhelm说。“我们可以在表面上添加纳米孔，而不会损坏下方的基材。这使我们能够创建以前不可能的几何结构。”以这种方式，人们可以完全按照需要从穿孔的二硫化钼创建“掩膜”，然后将某些金属原子沉积在其上。这为控制表面的化学，电子和光学性质开辟了全新的可能性。

“我们非常高兴，我们与TU博士学院TU-D的出色合作能够为这些结果做出巨大贡献，” TU-D成员超过三年的Janine Schwestka说。“此外，它使维也纳成为科学研究的场所，我们能够通过短距离与维也纳大学建立联系，从而加深我们的联合专业知识并有条不紊地相互补充。”

参考：Janine Schwestka，Heena Inani，Mukesh Tripathi，Anna Niggas，Niall McEvoy，Florian Libisch，Friedrich Aumayr，Jani Kotakoski和Richard A. Wilhelm，“ Janeine Schwestka，Heena Inani，Mukesh Tripathi，Anna Niggas，Niall McEvoy，Florian Libisch，Friedrich Aumayr，Jani Kotakoski和Richard A. Wilhelm，“ 30 2020年7月，ACS Nano.DOI：
10.1021 / acsnano.0c04476