Nano zlatni grumenčići rastopljeni visoko nabijenim ionima otkrivaju novi svijet između makroskopske i mikroskopske fizike

Sićušnim strukturama napravljenim od zlata može se posebno manipulisati jonskim bombardovanjem na Tehnološkom univerzitetu u Beču (TU Wien) – začudo, odlučujući faktor nije sila udara.

Istraživači sa TU Wien pronašli su način da kontroliraju geometriju sićušnih čestica zlata bombardirajući ih visoko nabijenim ionima. Promjenom veličine i oblika čestica, istraživači kažu da je moguće stvoriti nove vrste nanostruktura, uključujući kvantne tačke. Visoko nabijeni joni odbacuju elektrone od zlata, mijenjajući elektronske strukture čestica i uzrokujući pomicanje njihovih atoma. Dok se strukture nano zlata više ne mogu smatrati neiscrpnim rezervoarom elektrona, veće strukture zlata mogu preuzeti nove elektrone kako bi zamijenile one koji su izgubljeni.

Normalno, moramo napraviti izbor u fizici: ili se bavimo velikim stvarima – poput metalne ploče i njenih materijalnih svojstava, ili sitnim stvarima – kao što su pojedinačni atomi. Ali postoji i svijet između: svijet malih, ali još ne sitnih stvari, u kojem i efekti makroskopskog svijeta i efekti mikroskopskog svijeta igraju ulogu.

Eksperimenti sprovedeni u TU Wien locirani su u ovom komplikovanom međusvetu: ekstremno mali komadi zlata, koji se sastoje od nekoliko hiljada atoma i prečnika reda deset nanometara, bombardovani su visoko nabijenim jonima. To omogućava ciljanu promjenu oblika i veličine ovih zlatnika. Rezultati pokazuju: Ono što se dešava u procesu ne može se jednostavno zamisliti kao udar loptice za golf u bunker od pijeska – interakcija jona i zlatnog komada je mnogo suptilnija.

Energija koja se prenosi jonskim bombardovanjem

„Radimo sa višestruko jonizovanim atomima ksenona. Do 40 elektrona je uklonjeno iz ovih atoma, tako da su oni visoko električno nabijeni,” kaže prof. Richard Wilhelm sa Instituta za primijenjenu fiziku na TU Wien. Ovi visoko nabijeni joni zatim udaraju u male zlatne otoke postavljene na izolacijsku podlogu – i tada se mogu dogoditi različite stvari: zlatna ostrva mogu postati ravnija, mogu se istopiti, čak mogu i ispariti. „U zavisnosti od toga koliko su naši joni električno nabijeni, možemo izazvati različite efekte“, kaže Gabriel Szabo, prvi autor trenutne studije, koji trenutno radi na svojoj disertaciji u timu Richarda Wilhelma.

Visoko nabijeni joni udaraju u male zlatne grumene povećanom brzinom – oko 500 kilometara u sekundi. Ipak, zapanjujuće nije sila udara ta koja mijenja zlatna ostrva. Proces je potpuno drugačiji od udarca loptice za golf u gomilu pijeska ili slučajnog udara teniske loptice u lijepo ukrašenu rođendansku tortu.

„Ako ispalite nenabijene atome ksenona na zlatna ostrva sa istom kinetičkom energijom, zlatna ostrva ostaju praktično nepromenjena“, kaže Gabriel Szabo. “Dakle, odlučujući faktor nije kinetička energija, već električni naboj jona. Ovo punjenje također nosi energiju, a taloži se tačno na mjestu udara.”

Promjene u elektronskoj strukturi

Čim izuzetno snažno pozitivno nabijeni joni udare u komad nano zlata, oni otimaju elektrone od zlata. U velikom komadu zlata, ovo ne bi imalo značajan efekat: zlato je odličan provodnik, elektroni se mogu slobodno kretati, a više elektrona bi se isporučilo iz drugih područja zlatnog grumena. Ali strukture nano-zlata su toliko male da se više ne mogu smatrati neiscrpnim rezervoarom elektrona. Upravo ovdje se ulazi u srednji svijet između makroskopskog metala i sićušnih atomskih klastera i njihovih[{” attribute=””>nanoscale properties.

“The charge energy of the impacting ion is transferred to the gold, thus the electronic structure of the entire nano-gold object is thrown completely out of balance, the atoms start to move and the crystal structure of the gold is destroyed,” explains Richard Wilhelm. “Depending on how much energy you deposit, it may even happen that the entire nano-gold piece melts or is vaporised.”

The effects of the ion bombardment can then be studied in an atomic force microscope: Depending on the charge of the ions, the height of the gold pieces is reduced to a lesser or greater extent, Gabriel Szabo reports: “Just as our models had also predicted, we can control the impact of the ions on the gold —  and not by the speed we give our projectiles, but rather by their charge.”

Improved control and deeper understanding of such processes is important for making a wide variety of nanostructures. “It’s a technique that allows you to selectively edit the geometry of particularly small structures. That’s just as interesting for the creation of microelectronic components as it is for so-called quantum dots — tiny structures that allow very specific tailor-made electronic or optical effects due to their quantum physical properties,” says Richard Wilhelm.

And it is another insight into the world of small but not yet tiny things — into the multifaceted intermediate world between quantum physics and solid-state physics, which can only be understood by keeping quantum and many-particle phenomena in mind at the same time.

Reference: “Charge-State-Enhanced Ion Sputtering of Metallic Gold Nanoislands” by Gabriel L. Szabo, Benedykt R. Jany, Helmut Muckenhuber, Anna Niggas, Markus Lehner, Arkadiusz Janas, Paul S. Szabo, Ziyang Gan, Antony George, Andrey Turchanin, Franciszek Krok and Richard A. Wilhelm, 22 March 2023, Small.
DOI: 10.1002/smll.202207263