Die Anpassung der Eigenschaften von Heterostrukturen nach dem Wachstum erfordert eine Modifikationstechnik mit mit Monolayer-Präzision, um ausschließlich eine bestimmte Schicht zu behandeln.

Hochgeladene Ionen (HCIs) [1] sind ein neues Werkzeug zur Manipulation von 2D-Materialien und ihren Heterostrukturen auf der Nanoskala. Grund dafür ist ihr hoher Ladungszustand und die anschließende Neutralisierung an der Materialoberfläche - eine Eigenschaft, die für diese Ionenklasse einzigartig ist. Kürzlich haben die Gruppe Wilhelm [2-4] und andere [5] gezeigt, dass HCIs ein effizientes Werkzeug zur Herstellung von Poren und Defekten in freistehenden TMDs und TMDs auf Substraten sind.

Grafische Darstellung des Einschlags eines hochgeladenen Ions auf eine Monolage eines 2D Materials. Das Ion schießt ein Loch in die Membran.

© Richard Wilhelm

Ziele

Mit diesem Promotionsprojekt werden wir

  1. die optimalen HCI-Parameter finden, um die Defektgrößenverteilung in freistehenden TMDs, TMDs auf Substraten und in vdW-Strukturen genau einzustellen.
  2. die mit Defekten versehenen Proben für temperaturprogrammierbare Desorption (TPD) Experimente verwenden, um die katalytischen Eigenschaften von ioneninduzierten Defekten zu untersuchen.
  3. gemeinsam mit der Eder-Gruppe die Möglichkeit untersuchen, Metall/Metalloxid-Cluster an Defektstellen zu züchten. Die Abhängigkeit der kinetischen Energie und des Ladungszustands von der Defektgrößenverteilung in TMDs ist ist derzeit noch unbekannt, stellt aber einen Schlüsselaspekt des HCI-Defekt-Engineerings dar.

Mit den Ergebnissen des Projekts werden wir in der Lage sein, die Defektgrößenverteilung in TMDs durch HCI einzustellen und die katalytischen Eigenschaften der Defektstellen zu bestimmen.

Methoden

Wir werden zunächst freistehende MoS2 , MoS2 auf SiO2 und freistehende MoS2/Graphen Heterostrukturen verwenden. In einer späteren Phase werden wir auch WSe2 , WS2 und Janus-TMDs (z. B. WSeS) verwenden. Proben werden durch unsere enge Zusammenarbeit mit Partnern zur Verfügung gestellt. Wir werden die Ionenbestrahlung mit Ladungszuständen von 10-40 und kinetischen Energien von 10-400keV im Wilhelm-Labor durchführen. Ausgewählte freistehende Proben werden an die U Wien (Kotakoski-Gruppe) mit einem UHV-Koffer (10-9 mbar) überführt. Ausgewählte Proben auf SiO2-Substrat werden zur Parkinson-Gruppe transportiert, um dort atomar aufgelöste Nicht-Kontakt-AFM (ncAFM), Kontakt-AFM und TPD zu vermessen. So kann man die katalytische Aktivität der defekten TMDs überprüfen. Proben auf SiO2 werden in der Eder-Gruppe mit Metall/Metalloxid-Clustern an den Defekten funktionalisiert. Für sehr kleine Defekte wollen wir die extreme Grenze der Single-Atom Positionierung erforschen. Diese Proben werden dann zusammen mit der Parkinson-Gruppe für TPD - und, falls vielversprechend, für ncAFM - verwendet. 

Kollaborationen

Das PhD-Projekt kombiniert unser Fachwissen über die Wechselwirkung zwischen HCI und Oberfläche mit modernster Mikroskopie-Abbildung und Katalyse-Studien (Parkinson) sowie modernste Nanostrukturanalyse (Lendl) und ab-initio theoretischen Werkzeugen (Libisch). Defekte und nm-große Poren, die durch Ioneneinwirkung entstehen, dienen als aktive Adsorptionsstellen für gasförmige Moleküle (Filipovic) und Metall/Metalloxid-Cluster (Eder). Die modifizierten 2D-Systeme werden mit PAR-XPS (Foelske) und IR (Lendl) analysiert. Defekte TMDs werden mit AFM-IR (Lendl-Gruppe) weiter charakterisiert. Wir werden die Möglichkeit der Abscheidung gasförmiger Moleküle testen (Gruppe Filipov). Die theoretische Beschreibung der HCI-induzierten Materialmodifikation wird von der Libisch-Gruppe durchgeführt.

Betreuer

Richard Wilhelm ist Experimentalphysiker, der auf dem Gebiet der Oberflächen- und Ionenphysik arbeitet. Seine Forschung konzentriert sich auf die Dynamik des Ladungsaustausches von Ionen beim Eintritt in Festkörper. Dieser Ladungsaustausch kann eine Fülle verschiedener Phänomene auslösen (transiente Oberflächenaufladung, Emission von Photonen und Elektronen usw.), darunter auch den Transfer großer Energiemengen (10 keV) in einem kleinen Bereich an der Materialoberfläche, was zu einer schichtweisen Erosion auf der Nanoskala führt. Verschiedene Ionenstreuungstechniken, Sekundärteilchen-Koinzidenzdetektion sowie atomar aufgelöster Mikroskopie ermöglicht einen umfassenden Ansatz für den zugrundeliegenden Mechanismus der Oberflächenerosion, die durch den Austausch von Ionenladungen ausgelöst wird. Die Nutzung dieses Mechanismus für nanolithografische Anwendungen mit 2D-Materialien zu nutzen ist ein Hauptziel dieses Promotionsprojektes.

Website

Arbeitsgruppe Prof. Wilhelm, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Literatur

  1. Wilhelm, R. A. The charge exchange of slow highly charged ions at surfaces unraveled with freestanding 2D materials. Surface Science Reports 77, 100577 (2022),  DOI: 10.1016/j.surfrep.2022.100577.
  2. Schwestka, J. et al. Atomic-Scale Carving of Nanopores into a van der Waals heterostructure with slow, highly charged ions. ACS Nano 14, 10536-10543 (2020), DOI: 10.1021/acsnano.0c04476.
  3. Niggas, A. et al. Ion-Induced Surface Charge Dynamics in Freestanding Monolayers of Graphene and MoS2 Probed by the Emission of Electrons. Physical Review Letters 129, 086802 (2022), DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.086802.
  4. Grossek, A. S., Niggas, A., Wilhelm, R. A., Aumayr, F., Lemell, C. Model for Nanopore Formation in Two-Dimensional Materials by Impact of Highly Charged Ions. Nano Lett. 22, 9679-9684 (2022), DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03894.
  5. Kozubek, R. et al. Perforating Freestanding Molybdenum Disulfide Monolayers with Highly Charged Ions. Journal of Physical Chemistry Letters 10, 904-910 (2019), DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b03666.