Title (eng)
Low-energy ion irradiation on 2D materials
from single defects to few-atom noble gas clusters
Author
Manuel Längle
Advisor
Jani Kotakoski
Assessor
Sarah Haigh
Thomas Michely
Abstract (deu)
Zweidimensionale (2D) Materialien, insbesondere Graphen und einlagiges hexagonales Bornitrid (hBN), wurden in den letzten zwei Jahrzehnten intensiv untersucht. Graphen ist ein hervorragender elektrischer Leiter und undurchlässig für Gase. Als Monolage kann es als Substrat für das Wachstum von Clustern oder einzelnen implantierten Atomen verwendet werden, während es mit mehreren Lagen zum Einfangen verschiedener Atome oder Moleküle dienen kann. hBN ist ein Isolator mit großer Bandlücke, der häufig als Dielektrikum verwendet wird. Punktdefekte in hBN sind jedoch auch vielversprechende Quantenemitter. In dieser Arbeit werden Graphen und hBN niederenergetischer Bestrahlung aus einfach geladenen Ionen ausgesetzt, um Defekte zu erzeugen und die Ionen einzufangen. Die Auswirkungen der Bestrahlung werden mit Hilfe von atomar auflösender Rastertransmissionselektronenmikroskopie und Elektronenenergieverlustspektroskopie untersucht. In hBN führt die Bestrahlung zur Bildung von Punktdefekten. Ähnlich erzeugte und charakterisierte Defekte in Graphen werden verwendet, um extra aufgebrachtes Eisen entweder als einzelne Atome oder als Cluster zu verankern. Bei mehrschichtigen Proben werden durch Ionenbestrahlung Edelgasatome zwischen die Schichten eingebracht, was zu stabilen zweidimensionalen van der Waals Kristallen bei Raumtemperatur führt. Die eingefangenen Atome ordnen sich so an, wie man es aufgrund der ungerichteten van der Waals Bindung erwarten würde. Die Cluster ändern ihre Struktur, bewegen sich und Phasenübergänge sind während der Messungen sichtbar. Die Untersuchung der Entstehung von Defekten in hBN und deren Korrelation mit Emissionsspektren öffnet den Weg zur gezielten Manipulation von hBN für Quantenanwendungen. Die Fähigkeit, einzelne Atome kovalent in der Graphenmembran zu verankern, bietet die Möglichkeit, Einzelatomkatalysatoren zu schaffen. Die Möglichkeit Edelgase einzufangen, eröffnet das bisher unerforschte Gebiet der eingeschlossenen zweidimensionalen van der Waals Festkörper. Die ersten experimentellen Beispiele für 2D-Systeme waren van der Waals Festkörper aus Edelgasen auf kalten Metalloberflächen. Jahrzehnte später ist es nun möglich, die atomare Anordnung dieses einfachen Systems direkt zu untersuchen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass 2D-Materialien atomar manipuliert werden können, was uns einen Schritt näher an Quantenemitter und Einzelatomkatalysatoren in 2D-Materialien bringt. Zugleich bieten die zweidimensionalen van der Waals Feskörper bestehend aus Edelgas Atomen ein einfaches System für grundlegende Untersuchungen der statistischen Physik.
Abstract (eng)
Two-dimensional (2D) materials, and especially their two prominent members graphene and monolayer hexagonal boron nitride (hBN), have generated significant research interest over the better part of the last two decades. Graphene is an extraordinary electrical conductor while it is also extremely strong, impermeable to gases and, as a monolayer, it can be used as a substrate for cluster growth or single implanted atoms, while, as a multilayer, it can be used to encapsulate different trapped atoms or molecules. hBN on the other hand is a wide gap insulator which is often used as a dielectric. However, point defects in hBN were discovered to be very promising quantum emitters. Here, graphene and hBN are exposed to low-energy single-charged ion irradiation in order to create defects and trap the impinging ions. The irradiation effects are studied using atomic resolution scanning transmission electron microscopy (STEM) and electron energy loss spectroscopy (EELS). It is found that the irradiation leads to the creation of point defects in hBN. Similarly created and characterized defects in graphene were used as anchoring points for individual atoms and clusters of iron, which was introduced via physical vapour deposition. For multi-layered samples ion irradiation was used for introducing noble gas atoms between the layers resulting in room-temperature stable 2D van der Waals crystals. The trapped atoms arrange as expected from non-directional van der Waals bonding for small clusters. We observe movement and structural changes in the clusters as well as phase transitions during imaging. Studying defect creation in hBN and correlating these with emission spectra opens the path towards tailoring hBN for quantum applications. The ability to anchor individual atoms covalently in the graphene membrane provides the possibility to create single atom catalysts. The so far unexplored frontier of encapsulated two-dimensional van der Waals solids is opened up by the possibility of noble gas trapping. This makes it now, decades after van der Waals atomic solids of noble gases on cold metal surfaces were the first experimental examples of 2D systems, possible to study the atomic arrangement of this simple condensed matter system. Overall, it was shown that 2D materials can be tailored at the atomic scale which brings us one step closer to 2D material quantum emitters and single atom catalysts. At the same time the 2D van der Waals noble gas crystals provide a simple condensed matter system for fundamental studies of statistical physics.
Keywords (deu)
FestkörperphysikElektronenmikroskopieEdelgaseZweidimensionale MaterialienMaterialphysik
Keywords (eng)
Solid-state physicsElectron microscopyNoble gasesTwo-dimensional materialsMaterial physics
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:2046375
rdau:P60550 (deu)
116 Seiten : Illustrationen
Number of pages
117
Association (deu)
Title (eng)
Low-energy ion irradiation on 2D materials
from single defects to few-atom noble gas clusters
Author
Manuel Längle
Abstract (deu)
Zweidimensionale (2D) Materialien, insbesondere Graphen und einlagiges hexagonales Bornitrid (hBN), wurden in den letzten zwei Jahrzehnten intensiv untersucht. Graphen ist ein hervorragender elektrischer Leiter und undurchlässig für Gase. Als Monolage kann es als Substrat für das Wachstum von Clustern oder einzelnen implantierten Atomen verwendet werden, während es mit mehreren Lagen zum Einfangen verschiedener Atome oder Moleküle dienen kann. hBN ist ein Isolator mit großer Bandlücke, der häufig als Dielektrikum verwendet wird. Punktdefekte in hBN sind jedoch auch vielversprechende Quantenemitter. In dieser Arbeit werden Graphen und hBN niederenergetischer Bestrahlung aus einfach geladenen Ionen ausgesetzt, um Defekte zu erzeugen und die Ionen einzufangen. Die Auswirkungen der Bestrahlung werden mit Hilfe von atomar auflösender Rastertransmissionselektronenmikroskopie und Elektronenenergieverlustspektroskopie untersucht. In hBN führt die Bestrahlung zur Bildung von Punktdefekten. Ähnlich erzeugte und charakterisierte Defekte in Graphen werden verwendet, um extra aufgebrachtes Eisen entweder als einzelne Atome oder als Cluster zu verankern. Bei mehrschichtigen Proben werden durch Ionenbestrahlung Edelgasatome zwischen die Schichten eingebracht, was zu stabilen zweidimensionalen van der Waals Kristallen bei Raumtemperatur führt. Die eingefangenen Atome ordnen sich so an, wie man es aufgrund der ungerichteten van der Waals Bindung erwarten würde. Die Cluster ändern ihre Struktur, bewegen sich und Phasenübergänge sind während der Messungen sichtbar. Die Untersuchung der Entstehung von Defekten in hBN und deren Korrelation mit Emissionsspektren öffnet den Weg zur gezielten Manipulation von hBN für Quantenanwendungen. Die Fähigkeit, einzelne Atome kovalent in der Graphenmembran zu verankern, bietet die Möglichkeit, Einzelatomkatalysatoren zu schaffen. Die Möglichkeit Edelgase einzufangen, eröffnet das bisher unerforschte Gebiet der eingeschlossenen zweidimensionalen van der Waals Festkörper. Die ersten experimentellen Beispiele für 2D-Systeme waren van der Waals Festkörper aus Edelgasen auf kalten Metalloberflächen. Jahrzehnte später ist es nun möglich, die atomare Anordnung dieses einfachen Systems direkt zu untersuchen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass 2D-Materialien atomar manipuliert werden können, was uns einen Schritt näher an Quantenemitter und Einzelatomkatalysatoren in 2D-Materialien bringt. Zugleich bieten die zweidimensionalen van der Waals Feskörper bestehend aus Edelgas Atomen ein einfaches System für grundlegende Untersuchungen der statistischen Physik.
Abstract (eng)
Two-dimensional (2D) materials, and especially their two prominent members graphene and monolayer hexagonal boron nitride (hBN), have generated significant research interest over the better part of the last two decades. Graphene is an extraordinary electrical conductor while it is also extremely strong, impermeable to gases and, as a monolayer, it can be used as a substrate for cluster growth or single implanted atoms, while, as a multilayer, it can be used to encapsulate different trapped atoms or molecules. hBN on the other hand is a wide gap insulator which is often used as a dielectric. However, point defects in hBN were discovered to be very promising quantum emitters. Here, graphene and hBN are exposed to low-energy single-charged ion irradiation in order to create defects and trap the impinging ions. The irradiation effects are studied using atomic resolution scanning transmission electron microscopy (STEM) and electron energy loss spectroscopy (EELS). It is found that the irradiation leads to the creation of point defects in hBN. Similarly created and characterized defects in graphene were used as anchoring points for individual atoms and clusters of iron, which was introduced via physical vapour deposition. For multi-layered samples ion irradiation was used for introducing noble gas atoms between the layers resulting in room-temperature stable 2D van der Waals crystals. The trapped atoms arrange as expected from non-directional van der Waals bonding for small clusters. We observe movement and structural changes in the clusters as well as phase transitions during imaging. Studying defect creation in hBN and correlating these with emission spectra opens the path towards tailoring hBN for quantum applications. The ability to anchor individual atoms covalently in the graphene membrane provides the possibility to create single atom catalysts. The so far unexplored frontier of encapsulated two-dimensional van der Waals solids is opened up by the possibility of noble gas trapping. This makes it now, decades after van der Waals atomic solids of noble gases on cold metal surfaces were the first experimental examples of 2D systems, possible to study the atomic arrangement of this simple condensed matter system. Overall, it was shown that 2D materials can be tailored at the atomic scale which brings us one step closer to 2D material quantum emitters and single atom catalysts. At the same time the 2D van der Waals noble gas crystals provide a simple condensed matter system for fundamental studies of statistical physics.
Keywords (deu)
FestkörperphysikElektronenmikroskopieEdelgaseZweidimensionale MaterialienMaterialphysik
Keywords (eng)
Solid-state physicsElectron microscopyNoble gasesTwo-dimensional materialsMaterial physics
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
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Number of pages
117
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