Interaction of slow highly charged ions with two dimensional materials

• Applicant: Professor Dr. Richard Wilhelm
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2016 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 322051344

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Im Rahmen dieses Projektes wurden wesentliche Fortschritte im Verständnis der Wechselwirkung von hochgeladenen Ionen mit Oberflächen erzielt. Während bisherige Literatur das Einsetzen des Wechselwirkungsprozesses des Ions vor der Oberfläche sehr gut beschreiben konnte, fehlte ein Verständnis der Prozesse nach dem Eintauchen des Ions in die Oberfläche. Durch die Komplexität der beteiligten Prozesse und deren starke Verknüpfung miteinander waren experimentelle Untersuchungen bisher nur schwer möglich. Durch die Verwendung von freitragenden 2D Materialien in diesem Projekt konnten wir nun erstmals direkten Zugang zur Wechselwirkung von hochgeladenen Ionen in einer Materialschicht bekommen. Wesentliches Merkmal unserer Studien war die Untersuchung des Ions nachdem es den Festkörper wieder verlassen hat. Diese Untersuchungsmethodik wurde erst durch dieses Projekt ermöglicht. Neben der interessanten Forschung an diesen exotischen Ionen und Materialsystemen ergeben sich aus unserer Grundlagenforschung heraus Anwendungen für die Strukturierung von Materialien auf der Nanoskala und der Bestimmung von Materialstrukturen auf atomarer Größenskala durch die genaue Untersuchung der Ionenstreuverteilung. Unsere Ergebnisse wurden neben der Veröffentlichung in insgesamt 14 peer-reviewed Journalpublikationen aus dem Projekt heraus auch in zahlreichen Publikumsmedien dargestellt (z.B. Radio NJOY 91.3 FM Interview 29.10.2019 in „Wissenschaftsradio - Wissenschaft einfach erklärt“; Pro-Physik Artikel 06.08.2020 „Große Kunst der kleinen Löcher“; mehrere Pressemitteilungen der TU Wien).

Publications

• Interatomic Coulombic Decay: The Mechanism for Rapid Deexcitation of Hollow Atoms, Phys. Rev. Lett. 119, 103401 (2017)
  Wilhelm, R. A. et al.
  (See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.103401)
• Charge-Exchange-Driven Low-Energy Electron Splash Induced by Heavy Ion Impact on Condensed Matter, J. Phys. Chem. Lett. 10, 4805 (2019)
  Schwestka, J. et al.
  (See online at https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b01774)
• Unraveling energy loss processes of low energy heavy ions in 2D materials, Commun. Phys. 2, 89 (2019)
  Wilhelm, R. A. & Grande, P. L.
  (See online at https://doi.org/10.1038/s42005-019-0188-7)
• Atomic-Scale Carving of Nanopores into a van der Waals Heterostructure with Slow Highly Charged Ions, ACS Nano 14, 10536 (2020)
  Schwestka, J. et al.
  (See online at https://doi.org/10.1021/acsnano.0c04476)
• The role of contaminations in ion beam spectroscopy with freestanding 2D materials: A study on thermal treatment, J. Chem. Phys. 153, 014702 (2020)
  Niggas, A. et al.
  (See online at https://doi.org/10.1063/5.0011255)
• Vanishing influence of the band gap on the charge exchange of slow highly charged ions in freestanding singlelayer MoS2, Phys. Rev. B 102, 045408 (2020)
  Creutzburg, S. et al.
  (See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.045408)