On the interaction of slow highly charged ions with free-standing two-dimensional materials

Abstract

Im Gegensatz zu Elektronen und Photonen haben Ionen nicht nur eine kinetische, sondern auch potentielle Energie. Letztere entsteht durch Entfernen von Elektronen aus einem Atom. Die Möglichkeit Ionenstrahlparameter separat in Bezug auf potentielle und kinetische Energie anzupassen, macht Ionen nützlich für Anwendungen in der Materialanalyse (u.a. elementare Zusammensetzung, Schichtdicken) und Materialmodifizierung (z.B. Ionenstrahllithographie). Dafür ist ein tiefgründiges Verständnis zugrundeliegender Prozesse wichtig. Im Zuge dieser Arbeit studiere ich die Wechselwirkung von (hoch-)geladenen Ionen mit 2D Materialien mit einem Fokus auf die energetische Abregung des Projektils sowie Relaxationsmechanismen der im Material deponierten potentiellen Energie. Ich konzentriere mich auf drei Wechselwirkungskomponenten: die Ladungszustandsentwicklung des Ions im Material, emittierte Elektronen sowie Materialmodifikationen durch Ioneneinschlag.Der Ausgangsladungszustand von hochgeladenen Ionen, die durch einschichtige Materialien transmittiert werden, wird zusammen mit den durch die Wechselwirkung emittierten Elek- tronen untersucht. Beide Größen werden gleichzeitig gemessen, was es ermöglicht, sowohl die Beiträge der Trägerstrukturen als auch die von angehäuften Verunreinigungen nach Behand- lung der Proben mit einem entwickelten Reinigungsverfahren wegzufiltern.Für das Ion zeigen Experimente mit ein bis drei Graphenlagen, dass der Ladungsaustausch ausschließlich von der Zeit abhängt, die das Ion in der Nähe des Materials verbringt. Bei lang- samen, hochgeladenen Ionen beträgt diese Wechselwirkungszeit nur Femtosekunden. Dennoch kann bereits eine Monolage ausreichen, um eine vollständige Neutralisation und die Abgabe großer Mengen potentieller Energie in der Materialschicht zu erreichen.Ein Mechanismus zur Freisetzung der deponierten Energie ist die Emission von Elektronen aus der Probe oder aus dem Ion. In dieser Arbeit werden sowohl die Ausbeute als auch die Energieverteilung dieser Elektronen untersucht: Während die Ausbeute mit der potentiellen Energie der Ionen auf mehr als 100 aus Graphen emittierten Elektron pro Ioneneinschlag ansteigt, liegt der Schwerpunkt der Elektronenenergieverteilung deutlich unter 20eV. Kine- tische und potentielle Beiträge können in einer bimodalen Energieverteilung unterschieden werden. Vergleicht man das Halbmetall Graphen mit halbleitendem MoS2, zeigt sich eine starke Materialabhängigkeit in der Elektronenausbeute (Faktor 6 höher für Graphen) und der Elektronenenergie (fehlende niederenergetische Elektronen für MoS2). Diese Abweichungen in der Elektronenemission lassen sich durch unterschiedliche Ladungsdissipationszeiten erklären. Die materialabhängige Ladungsträgerdynamik kann auch die unterschiedliche Suszeptibili- tät für Nanoporenformation erklären, die kürzlich bei 2D Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften festgestellt wurde: Während das Halbmetall Graphen nicht zu einer durch hoch- geladene Ionen induzierten Porenbildung neigt, werden in MoS2 nach hochgeladenen Ionen- einschlägen Poren mit Durchmesser von wenigen Nanometern. Ergänzt werden diese Unter- suchungen durch van-der-Waals-Heterostrukturen aus Graphen und MoS2 sowie isolierendem hexagonalem Bornitrid, in dem noch größere Poren als im Halbleiter gefunden werden.

Ions, in contrast to electrons or photons, do not only have kinetic energy but also possess potential energy. The latter is formed by removing electrons from an atom. The ability to tune ion beam parameters separately in terms of both kinetic and potential energy renders them useful for applications in material analysis (e.g., elemental composition, layer thickness) and material modification (e.g., ion beam lithography). Therefore, a profound understanding of underlying charge-related processes is crucial. Within this thesis, I study the interaction of (highly) charged ions with 2D materials with a focus on the energetic deexcitation of the projectile as well as release mechanisms of the (potential) energy deposited in the sample. I concentrate on three components of the interaction: the evolution of the ion charge in the material, emitted electrons and material modification following the ion impact.The exit charge state of highly charged ions transmitted through monolayer materials is studied together with electrons emitted due to the interaction. Both quantities are detected in coincidence, which allows for omitting contributions from support structures as well as from clustered contaminants after treating the samples with a developed cleaning procedure.For the ion, experiments with one to three graphene layers reveal that the charge exchange depends solely on the time the ion spends close to the material. For slow, highly charged ions, this interaction time amounts to femtoseconds only. Nevertheless, even a monolayer can be sufficient for complete neutralisation and deposition of large amounts of potential energy within the material layer.One release mechanism of the deposited energy is the emission of electrons from either the sample or the ion. Both the yield and the energy distribution of emitted electrons are examined in this thesis: While the yield increases with the ion potential energy to more than 100 emitted electrons from graphene by a single highly charged ion impact, the spectral weight of the electron energy distribution lies well below 20 eV. Kinetic and potential contributions can be distinguished in a bimodal energy distribution. When comparing semimetal graphene to semiconducting MoS2, a strong material dependence in the electron yield (factor 6 higher for graphene) and electron energy (missing low-energy electrons for MoS2) is observed. Charge dissipation times in the respective materials may explain differences in the electron emission. Material-dependent charge carrier dynamics can also explain different nanopore formation susceptibilities found for 2D materials with varying properties recently: While semimetal graphene is not prone to highly-charged-ion-induced pore formation, few-nm-sized pores are found in MoS2 after highly charged ion impacts. These studies are complemented using van der Waals heterostructures of graphene and MoS2, as well as insulating hexagonal boron nitride, where even larger pores are found than in the semiconductor.