Modifying low-dimensional materials using energetic charged particles

Niedrigdimensionale Materialien, wie Graphen, Ubergangsmetalldichalkogenid Monoschichten und Kohlenstoffnanorohren sind aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften Gegenstand aktueller Forschung. Damit diese Materialien ihr gesamtes Potential entfalten konnen, mussen ihre Eigenschaften fur die Verwendung in modernen Anwendungen zugeschnitten werden. Eine Moglichkeit dies gezielt durchzufuhren ist die Bestrahlung mit Elektronen oder Ionen. Einerseits kann aberrationskorrigierte Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) dazu verwendet werden solche veranderten Strukturen abzubilden, andererseits hat sich gezeigt, dass man mithilfe dieser auch in der Lage ist einzelne Fremdatome innerhalb eines kovalent gebundenen Materials gezielt zu verschieben. Zuerst wurde gezeigt, dass es moglich ist durch Beschuss mit niedrigenergetischen Ionen Germanium als Fremdatom in Graphen zu implantieren. Atomar aufgeloste STEM Bilder zeigen, dass Germaniumatome trotz ihrer Grose einzelne Kohlenstoffatome substituieren konnen. Da die Verunreinigung der Proben durch die Bestrahlung eine der grosten Herausforderungen bei der skizzierten Vorgangsweise ist, wurde ein Vakuumgluhverfahren entwickelt, um den Verunreinigungsprozess abzuschwachen. Auserdem wurden Nanoporen in Molybdan und Wolframdisulfid mittels hochionisierter Xe Atome erzeugt. Durch verandern der Bestrahlungsparameter konnte die Grose der Poren kontrolliert werden. Weiters wurde gezeigt, dass Nanoporen auch intrinsisch an Korngrenzen von Molybdandisulfid vorkommen und deren Grosenverteilung vom Missorientierungswinkel zwischen den Kornern abhangt. Zuletzt wurde ein STEM verwendet, um elektronenstrahlinduzierte Dynamiken verschiedener Heteroatome in Graphen und einwandigen Kohlenstoffnanorohren, sowohl zu beobachten als auch mit atomarer Prazision zu kontrollieren. Atomar aufgeloste Bilder zeigen Prozesse, bei denen sich die Anzahl der Atome andert, als auch solche bei denen diese konstant bleibt. Dies hat Auswirkungen auf die Herstellung von Nanostrukturen. Der Elektronenstrahl wurde verwendet, um Silizium und Phosphor Fremdatome in Graphen gezielt zu verschieben. Einzelne Silizium Fremdatome konnten kontrolliert hunderte Gitterstellen weit verschoben werden. Dies wurde auch in einwandigen Kohlenstoffnanorohren gezeigt. Auch mit manueller Steuerung ist die elektronenstrahlinduzierte Sprungrate der Fremdatome auf einer Ebene mit anderen hochmodernen atomar auflosenden Methoden, wie Rastersondenmikroskopie. Dies zeigt das enorme Potential von STEM fur die Nanotechnik.