Forscher nutzen hochgeladene Ionen als Goldschmiede-Werkzeug

28. März 2023 - 12:23

Als Goldschmiede betätigen sich Forscher der Technischen Universität (TU) Wien. Ihr Werkzeug dabei sind aber nicht Schmelztiegel, Hammer und Feile, sondern hochgeladene Ionen. Schießen sie diese auf winzige Goldteilchen, können sie damit deren Form und Größe verändern und sie sogar zum Schmelzen bringen, berichten sie im Fachjournal "Small". Kontrolle und Verständnis solcher Prozesse sind für die Herstellung unterschiedlicher Nanostrukturen von Bedeutung.

Hochgeladene Ionen treffen auf mikroskopisch kleine Gold-Inseln
Hochgeladene Ionen treffen auf mikroskopisch kleine Gold-Inseln

Die Experimente des Teams um Richard Wilhelm vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien finden in der Zwischenwelt von Quantenphysik und klassischer Festkörperphysik statt, in der sowohl Quanten-, als auch Vielteilchenphänomene eine Rolle spielen. Sie verwenden dazu einerseits Goldstücke mit einem Durchmesser von rund zehn Nanometer. Die aus einigen tausend Atomen bestehenden Goldklümpchen werden auf einem isolierenden Untergrund platziert. Andererseits "arbeiten wir mit Xenon-Atomen, denen zunächst bis zu 40 Elektronen entrissen werden, sie sind also stark elektrisch geladen", so Wilhelm in einer Aussendung.

Schießen die Wissenschafter diese Ionen mit einer Geschwindigkeit von rund 500 Kilometern pro Sekunde auf die Goldstücke, können ganz unterschiedliche Dinge geschehen: Die Goldnuggets können an Höhe verlieren und flacher werden, sie können aufschmelzen, sie können sogar verdampfen - je nachdem, wie stark die Ionen elektrisch geladen sind.

Nicht die Wucht, auf die elektrische Ladung kommt es an

Bemerkenswert dabei ist, dass nicht die Wucht der "Geschoße" die Veränderung bewirkt. Das zeigt das Vergleichsexperiment mit ungeladenen Xenon-Atomen: Schießt man die mit derselben kinetischen Energie auf die Gold-Inseln, verändern sie sich praktisch nicht", so der Erstautor der Arbeit, Gabriel Szabo. Entscheidend sei nicht die Bewegungsenergie, sondern die elektrische Ladung der Ionen.

Sobald die stark positiv geladenen Ionen das Goldstück treffen, reißen sie Elektronen an sich. In einem großen Goldstück bliebe das ohne nennenswerte Folgen, weil Gold ein ausgezeichneter Leiter ist und Elektronen aus anderen Regionen des Nuggets nachwandern. Weil die Goldstückchen im TU-Experiment aber so klein sind, gibt es nicht genügend nachrückende Elektronen.

"Die Ladungsenergie des einschlagenden Ions wird auf das Gold übertragen, dadurch gerät die elektronische Struktur des gesamten Nano-Goldobjekts völlig aus dem Gleichgewicht, die Atome beginnen sich zu bewegen und die Kristallstruktur des Goldes wird zerstört", so Wilhelm. Wird genug Energie deponiert, könne das gesamte Nano-Goldstück sogar verdampfen.

Der Einfluss auf das Gold könne über die Ladung der Ionen genau kontrolliert werden. Das ist wiederum könnte für die Herstellung unterschiedlichster Nanostrukturen von Bedeutung sein. "Es ist eine Technik, mit der man die Geometrie besonders kleiner Strukturen nachträglich gezielt bearbeiten kann - das ist für die Erzeugung mikroelektronischer Bauteile ebenso interessant wie für sogenannte Quanten-Dots - winzige Strukturen, die aufgrund ihrer quantenphysikalischen Eigenschaften ganz bestimmte maßgeschneiderte elektronische oder optische Effekte erlauben", sagte Wilhelm.

Service: https://doi.org/10.1002/smll.202207263

(APA/red, Foto: APA/TU Wien)

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