On the charge exchange dynamics of highly charged ions in atomically thin solids

Abstract

In many fields of physics, the interaction of ions with surfaces plays a major role, for example in nuclear fusion, where the impact of energetic ions from the fusion plasma leads to erosion of wall materials and thus to a limitation of the lifetime of these plasma facing components. In technical applications, in turn, ion bombardment of surfaces is used for material analysis (element composition, ion microscopy), for surface cleaning or coating, for material processing (structuring, lithography), for targeted material modification (implantation, changing properties) or for medical treatment (ion beam therapy). In order to achieve further progress in these fields, the underlying interaction mechanisms between ions and solids and especially their surfaces must be investigated in detail. With the discovery and availability of 2D materials such as graphene, experiments in which an ion interacts with only a single atomic layer of a solid became accessible for the first time. This makes it possible to determine the processes that take place when an ion passes a single atomic layer of a solid, such as charge exchange, electronic excitation or energy deposition with unprecedented detail.Within the framework of this thesis, a transmission experiment has been constructed and built for this purpose, which makes it possible to determine experimentally the charge capture (and thus the deposition of potential energy), the emission of electrons (and X-ray photons), the kinetic energy loss and the scattering angle of highly charged ions (HCIs) during transmission through various 2D materials. By using different 2D materials (conductive single layer graphene (SLG), semiconducting molybdenum disulfide (MoS2)) a deeper insight into the dependence on the electronic structure of the investigated material is possible. The observed ultrafast deexcitation of the hollow atom (HA) formed when approaching a 2D surface can be described by an Interatomic Coulombic Decay (ICD), a two-center Auger process. In this thesis it is shown that this explanation can be extended to 2D materials with other electronic properties, such as semiconducting MoS2. The comparison between monolayer graphene and monolayer MoS2 shows that the observed neutralization dynamics tends to be independent of the electronic band structure of the material. The primary deposition of the potential energy of a HCI via ICD leads to an electronic excitation of the surface. In the case of the semi-metal graphene, this results in the emission of a large number of low-energy electrons. In contrast, the number of emitted electrons is rather low in the 2D semiconductor MoS2. This different behavior is related to the electronic properties of the material. While in graphene electrons can be quickly replenished to the interaction region due to the high charge carrier mobility, the semiconducting MoS2 membrane remains positively charged on a longer time scale and prevents the electrons from leaving the surface.This also explains why - as recently shown - nanometer-sized pores can form at the impact site of the HCI for freestanding MoS2, whereas no pore formation can be observed for SLG. Based on these findings, in this work so-called van-der-Waals heterostructures consisting of a monolayer MoS2 on SLG are bombarded with HCIs. The transmission electron microscopy (TEM) image shows that pores are only formed when the MoS2 layer faces the ion beam, while in the other case both the upper graphene layer and the MoS2 layer underneath stay intact. The release of the potential energy therefore essentially takes place already in the first layer of a solid. A further experimental indication for this assumption can be found in the comparison of mono-, bi- and trilayer graphene. The experimentally determined electron yield does not change significantly with the number of layers which again supports the assumption that the majority of the potential energy of a HCI is already deposited in the first layer of a solid.

In vielen Gebieten der Physik spielt die Wechselwirkung von Ionen mit Oberflächen eine große Rolle, etwa in der Kernfusion, wo der Aufprall energetischer Ionen aus dem Fusionsplasma zur Erosion der Wandmaterialien und somit zu einer Begrenzung der Lebensdauer dieser Komponenten führt. Bei technischen Anwendungen wiederum wird der Ionenbeschuss von Oberflächen zur Materialanalyse (Elementzusammensetzung, Ionenmikroskopie), zur Oberflächenreinigung oder -beschichtung, zur Materialbearbeitung (Strukturierung, Lithographie), zur gezielten Materialmodifikation (Implantation, Veränderung der Eigenschaften) oder zur medizinischen Behandlung (Ionenstrahltherapie) eingesetzt. Um auf diesen Gebieten weitere Fortschritte zu erzielen, müssen die zugrunde liegenden Wechselwirkungsmechanismen Dieses unterschiedliche Verhalten hängt mit den elektronischen Eigenschaften des Materials zusammen. Während im Graphen aufgrund der hohen Ladungsträgerbeweglichkeit Elektronen schnell ins Wechselwirkungsgebiet nachgeliefert werden können, bleibt die halbleitende MoS2 Membran auf einer längeren Zeitskala positiv geladen und hindert die Elektronen daran, die Oberfläche zu verlassen.Dies erklärt auch, warum es wie kürzlich erst gezeigt - für freistehendes MoS2 zur Bildung von Nanometer großen Poren an der Einschlagstelle des hochgeladenen Ions kommen kann, während an SLG keine Porenbildung beobachtbar ist. Aufgrund dieser Erkenntnisse werden in dieser Arbeit sogenannte Van-der-Waals-Heterostrukturen bestehend aus einer Monolage MoS2 auf SLG mit hochgeladenen Ionen beschossen. Transmissions-elektronenmikroskopische (TEM) Aufnahmen zeigen, dass sich nur dann Poren bilden, wenn die MoS2-Schicht dem Ionenstrahl zugewandt ist, während im anderen Fall sowohl die obere Graphenschicht als auch die darunter liegende MoS2-Schicht intakt bleiben. Die Freisetzung der potentiellen Energie findet also im Wesentlichen bereits in der ersten Lage eines Festkörpers statt. Ein weiterer experimenteller Hinweis für diese Annahme findet sich im Vergleich von Mono-, Bi- und Tri-Lagen Graphen. Die experimentell bestimmte Elektronenausbeute ändert sich nicht signifikant mit der Anzahl der Lagen und ist daher ein weiteres Indiz dafür, dass der überwiegende Anteil der potentiellen Energie eines hochgeladenen Ions bereits in der ersten Lage eines Festkörpers deponiert wird.zwischen Ionen und Festkörpern und insbesondere deren Oberflächen im Detail untersucht werden. Mit der Entdeckung und Verfügbarkeit von 2D-Materialien wie z.B. Graphen wurden erstmals Experimente möglich, bei denen eine Ion nur mit einer einzigen Atomlage eines Festkörpers wechselwirkt. Dies erlaubt es, die beim Durchtritt eines Ions ablaufenden Prozesse wie Ladungsaustausch, elektronische Anregung oder Energiedeposition in bisher beispielloser Detailliertheit zu bestimmen.Im Rahmen dieser Arbeit wurde dazu ein Transmissionsexperiment aufgebaut, welches es ermöglicht, den Ladungseinfang (und damit die Deposition potentieller Energie), die Emission von Elektronen (und Röntgenphotonen), den kinetischen Energieverlust und den Streuwinkel von hochgeladenen Ionen bei Transmission durch verschiedene 2D-Materialien experimentell zu bestimmen. Durch Verwendung verschiedener 2D Materialien (leitfähiges Graphen, halbleitendes Molybdändisulfid) ist ein vertiefter Einblick in die Abhängigkeit von der elektronischen Struktur des untersuchten Materials möglich. Die beobachtete ultraschnelle Abregung des bei der Annäherung an eine 2D-Oberfläche entstehenden hohlen Atoms (HA) ist durch einen Interatomaren Coulomb Zerfall (ICD), einem Zwei-Zentren Auger-Prozess, beschreibbar. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass diese Erklärung auch auf 2D-Materialien mit anderen elektronischen Eigenschaften, wie z.B. das halbleitende Molybdändisulfid (MoS2), ausgedehnt werden kann. Der Vergleich zwischen Monolagen Graphen (SLG) und Monolagen MoS2 zeigt, dass die beobachtete Neutralisationsdynamik tendenziell unabhängig von der elektronischen Bandstruktur des Materials ist. Die primäre Deposition der potentiellen Energie eines hochgeladenen Ions über ICD führt zu einer elektronischen Anregung der Oberfläche. Beim Halbmetall Graphen kommt es dabei zur Emission einer großen Anzahl von niederenergetischen Elektronen. Im Gegensatz dazu ist die Anzahl der emittierten Elektronen beim 2D-Halbleiter MoS2 eher gering.