Energy and charge transfer of light ions transmitted through free-standing 2D materials

Abstract

Die Wechselwirkung von langsamen Ionen in 2D Materialien ist noch Gegenstand aktueller Forschung, da übliche Beschreibungen für diese Wechselwirkungen mit makroskopischen Festkörpern nicht im Regime der dünnen Schichten übernommen werden kann. Diese Arbeit konzentriert sich auf den Energie- und Ladungsaustausch von leichten, einfach geladenen Ionen während des Durchdringens von 2D Materialien. Dieses vergleichsweise einfache System ist ideal zur Untersuchung und dem Vergleich zu zeitabhängiger Dichtefunktionaltheorie Simulationen (TD-DFT), um in weiterer Folge auf komplexere Systeme wie hochgeladene Ionen zurück schließen zu können. In den hier beschriebenen Versuchen werden konkret Wasserstoff und Helium ionisiert und mit 1-5 keV beschleunigt, um die Wechselwirkung mit einer freistehenden atomaren Schicht von Graphen und MoS2 zu untersuchen. Die Energie der Teilchen nach dem Durchdringen des 2D Materials wird ladungsabhängig gemessen. Für Ionen, die nach Transmission noch immer geladen sind, wird ein elektrostatischer Analysator verwendet und der Energieverlust von vollständig neutralisierte Teilchen wird mit einer Flugzeitmessung bestimmt. Wir beobachten eine lineare Abhängigkeit des Energietransfers von der Ionengeschwindigkeit, in guter übereinstimmung mit TD-DFT Simulationen. Zusätzlich können wir einen höheren Energietransfer für Ionen, die durch den Einfang eines Elektrons neutralisiert werden, feststellen.

There are still open questions in understanding the stopping of slow ions in 2D materials, since common descriptions for bulk materials cannot be directly adopted for the thin film limit. This work focuses on the energy and charge transfer of light, singly charged ions transmitted through 2D materials, setting up a comparatively simple system in contrast to multiply charged heavy ions. This enables a comparison to theoretical models, such as time-dependent density-functional theory (TD-DFT) calculations. In particular in our experiment we use 1-5 keV H+ and He+ and study their interaction with free-standing single-layer graphene and monolayer MoS2. The energy of transmitted particles is mea- sured charge-state dependent, using an electrostatic analyser for charged and a time of flight approach for neutralised particles. We observe a linear increase of energy transfer with ion velocity, in good agreement with TD-DFT. Additionally, we note a higher energy transfer for ions capturing an electron.