Las nanopepitas de oro fundidas por iones altamente cargados revelan un nuevo mundo entre la física macroscópica y microscópica
Los iones altamente cargados golpean pequeñas pepitas de oro en una superficie aislante. Crédito: ucyborg.com/studio
Las diminutas estructuras de oro pueden manipularse específicamente mediante bombardeo de iones en la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien); sorprendentemente, el factor decisivo no es la fuerza del impacto.
Investigadores de TU Wien han encontrado una forma de controlar la geometría de diminutas partículas de oro bombardeándolas con iones altamente cargados. Al cambiar el tamaño y la forma de las partículas, los investigadores dicen que es posible crear nuevos tipos de nanoestructuras, incluidos los puntos cuánticos. Los iones altamente cargados extraen electrones del oro, alterando las estructuras electrónicas de las partículas y provocando que sus átomos se desplacen. Si bien las nanoestructuras de oro ya no pueden considerarse una reserva inagotable de electrones, las estructuras de oro más grandes pueden captar nuevos electrones para reemplazar los perdidos.
Normalmente, tenemos que hacer una elección en física: o nos ocupamos de cosas grandes, como una placa de metal y sus propiedades materiales, o cosas pequeñas, como átomos individuales. Pero también hay un mundo intermedio: el mundo de las cosas pequeñas pero aún no diminutas, en el que los efectos del mundo macroscópico y los efectos del mundo microscópico juegan un papel.
Los experimentos llevados a cabo en TU Wien se encuentran en este complejo intermedio: piezas muy pequeñas de oro, compuestas por unos pocos miles de átomos y con un diámetro del orden de diez nanómetros, son bombardeadas con iones altamente cargados. Esto permite cambiar la forma y el tamaño de estas monedas de oro de manera específica. Los resultados muestran: lo que sucede en el proceso no puede describirse simplemente como el impacto de una pelota de golf en un búnker de arena; la interacción del ion y la moneda de oro es mucho más sutil.
Energía transferida por bombardeo de iones
“Trabajamos con átomos de xenón multi-ionizados. Se eliminan hasta 40 electrones de estos átomos, por lo que están fuertemente cargados eléctricamente”, explica el profesor Richard Wilhelm del Instituto de Física Aplicada de TU Wien. Estos iones altamente cargados luego golpean pequeñas islas de oro colocadas sobre un sustrato aislante, y luego pueden suceder diferentes cosas: las islas de oro pueden volverse más planas, pueden derretirse e incluso pueden evaporarse. «Dependiendo de cuán eléctricamente cargados estén nuestros iones, podemos desencadenar diferentes efectos», dice Gabriel Szabo, primer autor del estudio actual, que actualmente está trabajando en su tesis en el equipo de Richard Wilhelm.
Los iones altamente cargados golpean las diminutas pepitas de oro a gran velocidad, a unos 500 kilómetros por segundo. Sin embargo, notablemente no es la fuerza del impacto lo que cambia las islas doradas. El proceso es completamente diferente al impacto de una pelota de golf en un montón de arena, o al impacto accidental de una pelota de tenis en un pastel de cumpleaños bellamente decorado.
«Si disparas átomos de xenón sin carga a las islas de oro con la misma energía cinética, las islas de oro permanecen prácticamente sin cambios», dice Gabriel Szabo. “Por lo tanto, el factor decisivo no es la energía cinética, sino la carga eléctrica de los iones. Esta carga también lleva energía y se deposita exactamente en el punto de impacto.
Cambios en la estructura electrónica
Tan pronto como los iones cargados extremadamente positivamente golpean la pieza de nano oro, le quitan electrones al oro. En una gran pieza de oro, esto no tendría un efecto significativo: el oro es un excelente conductor, los electrones pueden moverse libremente y se suministrarían más electrones desde otras áreas de la pepita de oro. Pero las estructuras de nanooro son tan pequeñas que ya no pueden considerarse una reserva inagotable de electrones. Es precisamente aquí donde se entra en el mundo intermedio entre el metal macroscópico y los diminutos cúmulos atómicos y sus[{» 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
