Perforating freestanding molybdenum disulfide monolayers with highly charged ions

Porous single layer molybdenum disulfide (MoS$_2$) is a promising material for applications such as DNA sequencing and water desalination. In this work, we introduce irradiation with highly charged ions (HCIs) as a new technique to fabricate well-defined pores in MoS$_2$. Surprisingly, we find a linear increase of the pore creation efficiency over a broad range of potential energies. Comparison to atomistic simulations reveals the critical role of energy deposition from the ion to the material through electronic excitation in the defect creation process, and suggests an enrichment in molybdenum in the vicinity of the pore edges at least for ions with low potential energies. Analysis of the irradiated samples with atomic resolution scanning transmission electron microscopy reveals a clear dependence of the pore size on the potential energy of the projectiles, establishing irradiation with highly charged ions as an effective method to create pores with narrow size distributions and radii between ca. 0.3 and 3 nm.Comment: 22 pages, 4 figure

Vanishing influence of the band gap on the charge exchange of slow highly charged ions in freestanding single-layer MoS2

Charge exchange and kinetic energy loss of slow highly charged xenon ions transmitted through freestanding monolayer MoS2 are studied. Two distinct exit charge state distributions, characterized by high and low charge states, are observed. They are accompanied by smaller and larger kinetic energy losses, as well as scattering angles, respectively. High charge exchange is attributed to two-center neutralization processes, which take place in close impact collisions with the target atoms. Experimental findings are compared to graphene as a target material and simulations based on a time-dependent scattering potential model. Independent of the target material, experimentally observed charge exchange can be modeled by the same electron capture and de-excitation rates for MoS2 and graphene. A common dependence of the kinetic energy loss on the charge exchange for MoS2 as well as graphene is also observed. Considering the similarities of the zero band-gap material graphene and the 1.9 eV band-gap material MoS2, we suggest that electron transport on the femtosecond timescale is dominated by the strong influence of the ion’s Coulomb potential in contrast to the dispersion defined by the material’s band structure

Federated learning enables big data for rare cancer boundary detection.

Although machine learning (ML) has shown promise across disciplines, out-of-sample generalizability is concerning. This is currently addressed by sharing multi-site data, but such centralization is challenging/infeasible to scale due to various limitations. Federated ML (FL) provides an alternative paradigm for accurate and generalizable ML, by only sharing numerical model updates. Here we present the largest FL study to-date, involving data from 71 sites across 6 continents, to generate an automatic tumor boundary detector for the rare disease of glioblastoma, reporting the largest such dataset in the literature (n = 6, 314). We demonstrate a 33% delineation improvement for the surgically targetable tumor, and 23% for the complete tumor extent, over a publicly trained model. We anticipate our study to: 1) enable more healthcare studies informed by large diverse data, ensuring meaningful results for rare diseases and underrepresented populations, 2) facilitate further analyses for glioblastoma by releasing our consensus model, and 3) demonstrate the FL effectiveness at such scale and task-complexity as a paradigm shift for multi-site collaborations, alleviating the need for data-sharing

Author Correction: Federated learning enables big data for rare cancer boundary detection.

10.1038/s41467-023-36188-7NATURE COMMUNICATIONS14

Federated Learning Enables Big Data for Rare Cancer Boundary Detection

Although machine learning (ML) has shown promise across disciplines, out-of-sample generalizability is concerning. This is currently addressed by sharing multi-site data, but such centralization is challenging/infeasible to scale due to various limitations. Federated ML (FL) provides an alternative paradigm for accurate and generalizable ML, by only sharing numerical model updates. Here we present the largest FL study to-date, involving data from 71 sites across 6 continents, to generate an automatic tumor boundary detector for the rare disease of glioblastoma, reporting the largest such dataset in the literature (n = 6, 314). We demonstrate a 33% delineation improvement for the surgically targetable tumor, and 23% for the complete tumor extent, over a publicly trained model. We anticipate our study to: 1) enable more healthcare studies informed by large diverse data, ensuring meaningful results for rare diseases and underrepresented populations, 2) facilitate further analyses for glioblastoma by releasing our consensus model, and 3) demonstrate the FL effectiveness at such scale and task-complexity as a paradigm shift for multi-site collaborations, alleviating the need for data-sharing

Analyse von Defektstrukturen in zweidimensionalen Materialien nach der Interaktion mit hochgeladenen Ionen

Die Deposition der potentiellen Energie eines hochgeladenen Ions in einem kleinen Bereich des Materials führt zu enorm hohen Energiedichten am Einschlagspunkt des Projektils. Als Resultat dieser Energiedichten lassen sich Nanostrukturen in Oberflächen beobachten, die je nach Wahl des Materials unterschiedlicher Natur und Ausdehnung sein können. In dieser Arbeit wurden derartige Defekte in zweidimensionalen Materialien durch die Bestrahlung mit hochgeladenen Ionen induziert und untersucht. Ein Teil dieser Arbeit bestand darin, den bestehenden Aufbau der Ionenstrahlanlage an der Universität Duisburg-Essen durch eine dynamische Abbremseinheit zu erweitern. Mithilfe dieses sogenannten Ionenfahrstuhls lässt sich der einstellbare Bereich der kinetischen Energie der Ionen auf über eine Größenordnung erweitern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sowohl ausführliche Messungen zur Charakterisierung der Abbremseinheit, als auch erste Bestrahlungsreihen unter Verwendung dieses Ionenfahrstuhls durchgeführt und dargestellt. Der wesentliche Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Möglichkeit, durch den Beschuss mit hochgeladenen Ionen Defektstrukturen auf der Nanometerskala in 2D Materialien zu induzieren. So sind erstmals Defektstrukturen in einer Einzellage hBN beobachtet worden, deren Präsenz auf die Deposition der potentiellen Energie des Projektils zurückzuführen ist. Mittels Rasterkraftmikroskopiemessungen ließen sie sich einerseits als Reibungserhöhungen an den Einschlagspunkten der HCIs dentifizieren. Des Weiteren konnte ein Schwellenwert der potentiellen Energie zur Defekterzeugung detektiert werden, der sich durch Messungen zur Sekundärionenmassenspektroskopie bestätigen ließ. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich die experimentellen Ergebnisse gut durch das Modell des thermal spikes beschreiben lassen, welches einen thermischen Prozess in der Defekterzeugung nahe legt. Zudem konnten erstmals Defekte in freistehendem MoS2 auf atomarer Skala aufgelöst werden. Diese Defekte treten in Form von Poren auf, die in einem ansonsten intakten MoS2 Gitter eingebracht worden sind. Die Porengröße, als auch die Porenerzeugungseffizienz konnte klar mit der potentiellen Energie des Projektils in Verbindung gebracht werden, wobei sich im Falle dieses 2D Materials kein Schwellenwert zur Porenerzeugung ausmachen ließ. Ebenfalls wurde die Defekterzeugung in Graphen durch den Beschuss mit hochgeladenen Ionen genauer studiert, was zu einer Ergänzung und teilweise zu einer Korrektur des bisherigen Wissensstands führte. Mittels Ramanspektroskopie konnten zahlreiche Informationen über die Defektgröße, die Defektstruktur, sowie die jeweilige Abhängigkeit von der kinetischen als auch der potentiellen Energie untersucht werden. Die Ramanspektroskopie in Kombination mit der hochauflösenden Rastertransmissionselektronenmikroskopie konnten weiterhin nachweisen, dass es sich bei den induzierten Defekten um lokal hydriertes Graphen mit einzelnen Gitterfehlstellen handelt

Analysis of defect structures in two dimensional materials after the interaction with highly charged ions

Die Deposition der potentiellen Energie eines hochgeladenen Ions in einem kleinen Bereich des Materials führt zu enorm hohen Energiedichten am Einschlagspunkt des Projektils. Als Resultat dieser Energiedichten lassen sich Nanostrukturen in Oberflächen beobachten, die je nach Wahl des Materials unterschiedlicher Natur und Ausdehnung sein können. In dieser Arbeit wurden derartige Defekte in zweidimensionalen Materialien durch die Bestrahlung mit hochgeladenen Ionen induziert und untersucht. Ein Teil dieser Arbeit bestand darin, den bestehenden Aufbau der Ionenstrahlanlage an der Universität Duisburg-Essen durch eine dynamische Abbremseinheit zu erweitern. Mithilfe dieses sogenannten Ionenfahrstuhls lässt sich der einstellbare Bereich der kinetischen Energie der Ionen auf über eine Größenordnung erweitern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sowohl ausführliche Messungen zur Charakterisierung der Abbremseinheit, als auch erste Bestrahlungsreihen unter Verwendung dieses Ionenfahrstuhls durchgeführt und dargestellt. Der wesentliche Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Möglichkeit, durch den Beschuss mit hochgeladenen Ionen Defektstrukturen auf der Nanometerskala in 2D Materialien zu induzieren. So sind erstmals Defektstrukturen in einer Einzellage hBN beobachtet worden, deren Präsenz auf die Deposition der potentiellen Energie des Projektils zurückzuführen ist. Mittels Rasterkraftmikroskopiemessungen ließen sie sich einerseits als Reibungserhöhungen an den Einschlagspunkten der HCIs dentifizieren. Des Weiteren konnte ein Schwellenwert der potentiellen Energie zur Defekterzeugung detektiert werden, der sich durch Messungen zur Sekundärionenmassenspektroskopie bestätigen ließ. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich die experimentellen Ergebnisse gut durch das Modell des thermal spikes beschreiben lassen, welches einen thermischen Prozess in der Defekterzeugung nahe legt. Zudem konnten erstmals Defekte in freistehendem MoS2 auf atomarer Skala aufgelöst werden. Diese Defekte treten in Form von Poren auf, die in einem ansonsten intakten MoS2 Gitter eingebracht worden sind. Die Porengröße, als auch die Porenerzeugungseffizienz konnte klar mit der potentiellen Energie des Projektils in Verbindung gebracht werden, wobei sich im Falle dieses 2D Materials kein Schwellenwert zur Porenerzeugung ausmachen ließ. Ebenfalls wurde die Defekterzeugung in Graphen durch den Beschuss mit hochgeladenen Ionen genauer studiert, was zu einer Ergänzung und teilweise zu einer Korrektur des bisherigen Wissensstands führte. Mittels Ramanspektroskopie konnten zahlreiche Informationen über die Defektgröße, die Defektstruktur, sowie die jeweilige Abhängigkeit von der kinetischen als auch der potentiellen Energie untersucht werden. Die Ramanspektroskopie in Kombination mit der hochauflösenden Rastertransmissionselektronenmikroskopie konnten weiterhin nachweisen, dass es sich bei den induzierten Defekten um lokal hydriertes Graphen mit einzelnen Gitterfehlstellen handelt.The potential energy of a highly charged ion, deposited into a small volume of the material, leads to extreme high energy densities at the impact site of the projectile. As a result surface nanostructures are induced which appear in different shapes depending on the materials properties. In this thesis such defects were induced in two dimensional materials by highly charged ion irradiation and investigated afterwards. As a part of this work, a dynamic deceleration system was implemented into the already existing ion beamline at the university of Duisburg-Essen. By using this so-called ion lift, the adjustable range of the kinetic energy of the ions was extended to an order of magnitude. Within this study, both detailed measurements to characterise the deceleration unit and irradiation experiments using this deceleration system were performed and presented. The major part of this thesis deals with the possibility to induce defects on the nanometer scale in two dimensional materials by highly charged ion bombardment. For the first time, defect structures have been observed in single layer hexagonal boron nitride as a result of the deposition of the potential energy of the projectile. By means of atomic force microscopy, the defects were identified as region of enhanced friction. Furthermore, a threshold of the potential energy was detected, which was further confirmed by means of secondary ion mass spectrometry. Additionally, it was shown, that the experimental results can be well described by the thermal spike model suggesting a thermal process in the defect creation mechanism. Moreover, defects in freestanding molybdenum disulphide were resolved on an atomic scale for the first time. These defects appear as pores in the otherwise unaffected lattice of the molybdenum disulphide. The pore size, as well as the pore creation efficiency was clearly associated with the potential energy of the projectile. This two dimensional material however shows no threshold for the pore creation. Furthermore, the defect creation in graphene after the irradiation with highly charged ions was investigated in more detail, leading to an enhancement and partially revision of the state of knowledge. By means of Raman spectroscopy, extensive information about the size and structure of defects, as well as their dependence on the kinetic and potential energy could be obtained. Raman spectroscopy in combination with high resolution scanning transmission electron microscopy further proved, that the defects are composed of hydrogenated graphene and individual lattice vacancies

Fabrication of Defective Single Layers of Hexagonal Boron Nitride on Various Supports for Potential Applications in Catalysis and DNA Sequencing

Two-dimensional hexagonal boron nitride (hBN) has been shown to be a suitable substrate and gate material for high-performance graphene electronics and has been proposed for applications in catalysis and DNA sequencing. This study explores how highly charged ions can be used for defect engineering, i.e., to locally induce modifications in single layers of hBN. For this, we irradiated single layers of hBN on SiO2, Mo foil, and Ir(111) with highly charged Xeq+ ions of different charge states (up to q = 40) at a fixed kinetic energy of 260 keV. The ion-induced nanoscaled modifications are analyzed as a function of the charge state using atomic force microscopy in the friction force mode and secondary-ion mass spectrometry. The data show that a charge state of more than q = 28 corresponding to a minimum potential energy of 15-17 keV is sufficient to achieve defect creation via electronic excitation. This is higher in comparison to graphene on SiO2 (similar or equal to 12 keV), which opens up the possibility of selective defect creation in graphene/hBN heterostructures. Our results are further corroborated by two-temperature model calculations showing good agreement with the experiment. On the basis of our results, we propose that the intense electronic excitation induced by the highly charged ion leads to sublimation of the material from nanometer-sized regions of the single-layer hBN sheet