Experimental measurement of highly charged ion-induced electron emission from freestanding single-layer graphene

Abstract

Die Folgen des Beschusses von 2D-Materialien mit hochgeladenen Ionen äußern sich in Effekten wie dem Einfangen von Elektronen durch die Ionen und der Emission von Elektronen aus dem Material. In dieser Arbeit beschrieben ist die Inbetriebnahme und Anwendung eines halbkugelförmigen Analysators für die Messungen der Energieverteilung der emittierten Elektronen am NIELS- Experiment. Der Analysator wird in einer Testphase auf seine Funktionstüchtigkeit überprüft und es werden einige Messungen durchgeführt, die zeigen, dass der Analysator wie vorgesehen arbeitet. Die Testphase wird auf einem eigenständigen Prüfstand durchgeführt, der speziell für diesen Zweck entworfen und gebaut wurde. Anschließend wird der halbkugelförmige Analysator an die bestehende Struktur des NIELS-Experiments montiert. Hitzegereinigte einlagige Graphen- und Goldproben werden mit Xeq+-Ionen (q ∈ [10, 30]) bestrahlt, deren Energie zwischen 95 und 285keV liegt. Für diese Messungen werden ein neuer Targethalter und eine μ-Metallabschirmung entworfen und hergestellt. Die Energiespektren der von einlagigem Graphen emittierten Primärelektronen werden in Koinzidenz mit den Ionen gemessen, die der Goldprobe ohne. Die Er- gebnisse zeigen, dass die Energieverteilung der emittierten Elektronen sowohl vom Ladungszustand als auch von der kinetischen Energie der auftreffenden Io- nen unabhängig ist, innerhalb der Energieauflösung des verwendeten Detektors. Die Ergebnisse für einlagiges Graphen zeigen eine erhöhte Elektronenausbeute mit zunehmendem Ladungszustand der auftreffenden Ionen. Im Allgemeinen besitzt die Mehrheit der emittierten Elektronen Energien unter 10 eV, was die Vorhersage des Modells des interatomaren coulombischen Zerfalls unterstützt.Des Weiteren wird eine Analyse einer zeitabhängigen Dichtefunktional- theorie-Simulation durchgeführt. Das simulierte Szenario ist der Beschuss von einlagigem Graphen mit einem 100 keV Xe8+ -Ion. Ziel der Analyse ist es, die Anzahl der vom Ion eingefangenen Elektronen sowie die Anzahl der aufgrund der Wechselwirkungen aus dem Graphen emittierten Elektronen zu berechnen. Die Ergebnisse zeigen dass das Xe-Ion 6 Elektronen einfängt und etwa 3 Elektronen aus dem Graphen emittiert werden, was mit einer Berechnung der Hirshfeld- Ladung des Ions übereinstimmt. Die Simulation und die durchgeführte Analyse stellen somit einen brauchbaren Ansatz für die Berechnung der Anzahl der eingefangenen und emittierten Elektronen während der Ionenbestrahlung dar.

The consequences of bombarding 2D materials with highly charged ions manifest in effects which include the ions capturing electrons and the emission of electrons from the material. The work described in this thesis is the commissioning and application of a hemispherical analyzer for the measurements of the energy distribution of emitted electrons at the NIELS experiment. The analyzer is checked for proper functionality during a test phase, where electrons emitted from tungsten wire are measured, which show that the analyzer works as intended. The test phase is conducted on a standalone test rig which is specifically designed and constructed for this purpose. Then, the hemispherical analyzer is mounted to the existing structure of the NIELS experiment. Heat cleaned single-layer graphene and gold samples are irradiated with Xeq+ ions (q ∈ [10, 30]) whose energy range from 95 to 285 keV. For these measurements, a new target holder and a μ-metal shield are designed and manufactured. The energy spectra of primary electrons emitted from single-layer graphene are measured via coincidence measurements, the ones of the gold sample without. Results show that the energy distribution of the emitted electrons are independent of both the charge state and the kinetic energy of the impinging ions, within the energy resolution of the used detector. However, single-layer graphene results indicate an increased electron yield with increasing incident ion charge state. In general, the majority of the emitted electrons possess energies below 10eV, which supports the prediction of the model of Interatomic Coulombic Decay.Furthermore, analysis of a time-dependent density functional theory simulation is conducted. The simulated scenario is the bombardment of single-layer graphene with one 100 keV Xe8+ ion. The goal of the analysis is to calculate the number of electrons captured by the ion and the number of electrons emitted from the graphene due to the interactions. The results predict that the Xe ion captures 6 electrons, while around 3 electrons are emitted from the graphene, which agrees with the calculation of the ion Hirshfeld charge. The simulation and its presented analysis thus pose a viable approach for calculating the num- ber of captured and emitted electrons during ion irradiation.