Zweidimensionales Hexagonales Bornitrid (hBN) ist ein isolierendes Material, das aus einer Atomschicht besteht. Es bildet eine Barriere, die auch andere zweidimensionale Materialien wie Graphen vor ihrer Umgebung schützen kann. Durch Poren mit einem Durchmesser von wenigen Atomen wird diese Barriere durchlässig. Eine nanoporöse Membran entsteht, durch die Moleküle oder Ionen hindurchtreten können. Solche Membranen könnten zum Filtern von Substanzen oder zur Analyse von DNA verwendet werden, während diese eine Nanopore durchquert.
In diesem Maßstab beeinflussen die genaue Form der Pore und die Atome an ihren Rändern, wie sie mit den durchquerenden Molekülen interagiert. Gleichzeitig weisen die Poren aufgrund ihrer geringen Größe quantenmechanische Eigenschaften auf, die sie für Katalyse und Quantenanwendungen nützlich machen.
Elektronen können atomare Strukturen abbilden und verändern
Eine Möglichkeit, solch winzige Poren zu erzeugen, ist der Elektronenstrahls eines Transmissionselektronenmikroskops: Dieselben Elektronen, mit denen zweidimensionale Materialien auf einzelne Atome genau abgebildet werden, können auch Atome aus dem Material herausschlagen. Bei fortgesetzter Bestrahlung wachsen diese Defekte zu Nanoporen heran. Seit fast zwei Jahrzehnten ist bekannt, dass die Elektronenbestrahlung von hBN dreieckige Poren erzeugt. Ihre Form wurde allgemein darauf zurückgeführt, dass Bor- und Stickstoffatome unterschiedlich leicht verdrängt werden können. „Wir zeigen zum ersten Mal, dass die Form der Poren nicht allein auf die Elektronen zurückzuführen ist, sondern von der Atmosphäre um die Probe herum beeinflusst wird“, sagt Umair Javed, Erstautor der Studie und Doktorand in der Kotakoski-Gruppe an der Fakultät für Physik der Universität Wien.
Elektronenmikroskope arbeiten unter Vakuum, doch dieses enthält immer noch Restgasmoleküle. Das Wiener Team nutzte ein Mikroskop mit einem außergewöhnlich guten Vakuum und der Möglichkeit, ausgewählte Gase in die Probenumgebung einzuleiten. So konnten sie untersuchen, was passiert, wenn der Elektronenstrahl fast allein auf hBN einwirkt – und was sich ändert, wenn Gase hinzugefügt werden.
Bohren und Ätzen gleichermaßen beteiligt
Im Ultrahochvakuum entfernte der Elektronenstrahl Bor- und Stickstoffatome in etwa gleichem Maße, wodurch sich kreisförmige Poren bildeten. War jedoch auch nur eine geringe Menge Sauerstoff vorhanden, wurden Boratome viel leichter entfernt, und es entstanden dreieckige Poren mit Stickstoff an den Kanten. Sauerstoff allein reichte nicht aus: Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Elektronenstrahl molekularen Sauerstoff in reaktive Spezies aufspaltet, die das Material chemisch angreifen können. Die Porenform ergibt sich daher aus einem Wechselspiel zwischen Physik und Chemie: „Bohren“ mit energiereichen Elektronen begünstigt kreisförmige Poren, während das durch Sauerstoff vermittelte chemische Ätzen dreieckige Poren begünstigt. Durch die Anpassung der Atmosphäre während der Elektronenbestrahlung können die Forscher steuern, welche Porenform entsteht.