Una collaborazione che ha coinvolto ricercatori dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign e dell'Università di Duisburg-Essen ha dimostrato che quando il grafene viene irradiato con ioni, o atomi caricati elettricamente, gli elettroni espulsi forniscono informazioni sul comportamento elettronico del grafene.

Inoltre, il gruppo dell’Illinois ha eseguito i primi calcoli coinvolgendo il grafene ad alta temperatura, e il gruppo di Duisburg-Essen ha verificato sperimentalmente le previsioni mediante irradiazione. Questa ricerca è stata riportata sulla rivista Nano Letters.

"Irradiare i materiali e osservare il cambiamento delle proprietà per dedurre cosa sta succedendo al loro interno è una tecnica ben consolidata, ma ora stiamo facendo i primi passi verso l'uso degli ioni invece della luce laser a tale scopo", ha affermato André Schleife, del gruppo dell'Illinois. capo e professore di scienza e ingegneria dei materiali.

"Il vantaggio è che gli ioni consentono eccitazioni altamente localizzate e di breve durata nel materiale rispetto a ciò che può fare la luce laser. Ciò consente studi ad alta precisione su come il grafene e altri materiali 2D si evolvono nel tempo."

Quando uno ione entra in collisione con un materiale 2D, l'energia viene trasferita sia ai nuclei atomici che agli elettroni. Ad alcuni elettroni viene data energia sufficiente per essere espulsi dal materiale. Le caratteristiche di questi cosiddetti "elettroni secondari" sono determinate dalle caratteristiche degli elettroni nel materiale come la loro temperatura e la distribuzione delle energie.

"C'è un ritardo tra l'impatto dello ione e l'emissione di elettroni secondari, e questa è l'informazione chiave che cercavamo nelle nostre simulazioni", ha detto Yifan Yao, autore principale dello studio e studente laureato del gruppo di ricerca di Schleife. "Abbiamo fatto questo per il grafene allo zero assoluto senza energia termica presente e per il grafene che ha energia termica e una temperatura più elevata. In realtà siamo i primi a simulare il grafene "caldo" in questo modo."

Il gruppo dell’Illinois ha eseguito calcoli basati sul grafene irradiato con ioni idrogeno – protoni nudi – e ha calcolato il modo in cui gli elettroni secondari venivano rilasciati nel tempo e il loro spettro energetico risultante. Questi risultati concordavano bene con i risultati del gruppo di Duisburg-Essen che utilizzava ioni argon e xeno.

Inoltre, lo studio computazionale fornisce informazioni sui meccanismi sottostanti dell’emissione di elettroni secondari. Il grafene ad alta temperatura ha rilasciato più elettroni secondari e un attento esame delle distribuzioni di carica ha indicato che i responsabili sono i nuclei atomici nel reticolo del materiale piuttosto che gli elettroni del materiale.

Secondo Schleife, la promessa di questa tecnica va oltre le misurazioni di materiali 2D di precisione. "Guardando al futuro, esiste la possibilità che l'irradiazione ionica possa essere utilizzata per introdurre deliberatamente difetti nei materiali e manipolarli", ha affermato. "Ma, nel breve termine, abbiamo dimostrato che l'irradiazione può essere utilizzata come tecnica di misurazione ad alta precisione."