Two-dimensional few-atom noble gas clusters in a graphene sandwich

Van der Waals atomic solids of noble gases on metals at cryogenic temperatures were the first experimental examples of two-dimensional systems. Recently such structures have also been created on under encapsulation by graphene, allowing studies at elevated temperatures through scanning tunneling microscopy. However, for this technique, the encapsulation layer often obscures the actual arrangement of the noble gas atoms. Here, we create Kr and Xe clusters in between two suspended graphene layers, and uncover their atomic structure through direct imaging with transmission electron microscopy. We show that small crystals (N<9) arrange as expected based on the simple non-directional van der Waals interaction. Crystals larger than this show some deviations for the outermost atoms, possibly enabled by deformations in the encapsulating graphene lattice. We further discuss the dynamics of the clusters within the graphene sandwich, and show that while all Xe clusters with up to at least N=51 remain solid, Kr clusters with already N~16 turn occasionally fluid under our experimental conditions with an estimated pressure of ca. 0.3 GPa. This study opens a way for the so-far unexplored frontier of encapsulated two-dimensional van der Waals solids with exciting possibilities for condensed matter physics research that expands from quantum structures to biological applications.Comment: 27 pages, 13 figures, including the supplemen

Wie sieht die Struktur des Phyikstudiums aus?

Läuft das Physikstudium im deutschsprachigen Raum im Großen und Ganzen überall auf die gleiche Art ab oder sind die Strukturen von Standort zu Standort verschieden? Wie lässt sich die Ähnlichkeit von Studiengangsstrukturen feststellen?Zur Beantwortung dieser Fragen lassen sich von der Zusammenkunft der deutschsprachigen Physikfachschaften (ZaPF) und der jungen Deutschen Physikalisch Gesellschaft (jDPG) schon länger organisierten und durchgeführten Umfragen nutzen. Sie bieten unter anderem Informationen zur inhaltlichen Schwerpunktsetzungen der Studiengänge. Aus den Debatten des Studienreformforums ist nun die Notwendigkeit erwachsen, mehr noch die Struktur des Studiengänge in den Blick zu nehmen; zeitgleich ist ein Vorschlag für deren Darstellung entstanden.Im letzten Jahr ist angesichts dessen ein öffentlich zugängliches Online-Tool entstanden, das es erlaubt, diese Darstellung halbautomatisiert aus den Informationen der Modulhandbücher zu erstellen. Die so erzeugten Darstellungen sollen nicht nur der Beforschung der Studiengänge dienen, sondern gleichzeitig für die Arbeit in den Fachbereichen nutzbar sein. Mittelfristig sollen die Datenerfassung der Umfragen und dieses Tools zusammenwachsen.Dieser Beitrag beschreibt das Tool und die Ideen dahinter und regt hoffentlich zur Nutzung an

Wie sieht die Struktur des Phyikstudiums aus?

Läuft das Physikstudium im deutschsprachigen Raum im Großen und Ganzen überall auf die gleiche Art ab oder sind die Strukturen von Standort zu Standort verschieden? Wie lässt sich die Ähnlichkeit von Studiengangsstrukturen feststellen?Zur Beantwortung dieser Fragen lassen sich von der Zusammenkunft der deutschsprachigen Physikfachschaften (ZaPF) und der jungen Deutschen Physikalisch Gesellschaft (jDPG) schon länger organisierten und durchgeführten Umfragen nutzen. Sie bieten unter anderem Informationen zur inhaltlichen Schwerpunktsetzungen der Studiengänge. Aus den Debatten des Studienreformforums ist nun die Notwendigkeit erwachsen, mehr noch die Struktur des Studiengänge in den Blick zu nehmen; zeitgleich ist ein Vorschlag für deren Darstellung entstanden.Im letzten Jahr ist angesichts dessen ein öffentlich zugängliches Online-Tool entstanden, das es erlaubt, diese Darstellung halbautomatisiert aus den Informationen der Modulhandbücher zu erstellen. Die so erzeugten Darstellungen sollen nicht nur der Beforschung der Studiengänge dienen, sondern gleichzeitig für die Arbeit in den Fachbereichen nutzbar sein. Mittelfristig sollen die Datenerfassung der Umfragen und dieses Tools zusammenwachsen.Dieser Beitrag beschreibt das Tool und die Ideen dahinter und regt hoffentlich zur Nutzung an

Vorstellung des Studienreformforums: Bisherige Arbeit und aktuelle Beiträge

Das Studienreform-Forum befasst sich einerseits mit der Systematisierung von Studienreformen und Studienreform-Vorhaben, andererseits mit Grundsatzfragen der Studienreform. Beides zusammen bildet die Grundlage zur Weiterentwicklung von Studiengängen.Im Jahr 2020 hat das Studienreform-Forum erneut zur Einsendung von Beiträgen zu diesen Fragen aufgerufen. Angesichts der Pandemie wurde dieser Aufruf verlängert und parallel eine Initiative zur Dokumentation und Auswertung der Lehre unter Pandemiebedingungen gestartet, deren Ergebnisse mittelfristig mit den übrigen Beiträgen in Bezug gesetzt werden sollen.Dieser Artikel dokumentiert die auf den Call for Papers eingesandten Beiträge

Forum Studienreform

Das Studienreform-Forum ist eine Initiative von Physik-Studierenden aus verschiedenen Teilen des deutschsprachigen Raumes, das erstmalig im Rahmen der DPG-Frühjahrstagung 2019 des Fachverbandes Didaktiken in Aachen stattfand und hier dokumentiert wird

Forum Studienreform

Das Studienreform-Forum ist eine Initiative von Physik-Studierenden aus verschiedenen Teilen des deutschsprachigen Raumes, das erstmalig im Rahmen der DPG-Frühjahrstagung 2019 des Fachverbandes Didaktiken in Aachen stattfand und hier dokumentiert wird

Workshop: Hochschuldidaktische Konsequenzen aus zwei Semestern Krisenlehre

Die Umstellung des Lehrbetriebs an den Hochschulen auf Online-Lehre hat nicht nur technische, sondern vor allem auch didaktische Herausforderungen mit sich gebracht, die vielfältig – und zum Teil sehr unterschiedlich – beantwortet wurden. An einer systematischen hochschulübergreifenden Auswertung fehlt es bislang aber noch. Im hir dokumentierten Workshop wurde der aktuelle Stand exemplarisch vorgestellt und diskutiert, wie es gelingen kann, dass die wertvollen Erfahrungen dieser Zeit nicht mit der Rückkehr zur Präsenzlehre verloren gehen

Two-dimensional noble gas

In dieser Arbeit wird die mikroskopische Struktur von delgasen – beschränkt auf zwei Dimensionen– untersucht. Dazu wurde mehrlagiges Graphen mit Edelgasen bestrahlt, was zur implantation dieser Gase zwischen den Graphenlagen führte. Die eingeschlossenen zweidimensionalen Edelgase bildeten Kristallite und Flüssigkeiten, welche im Rastertransmissionselektronenmikroskop atomar abgebildet wurden. Exfolierte mehrlagige Graphenproben wurden auf Carbon-Quantifoil(R)-Probenhalter transferriert. Diese wurden anschließend mit niedrig energetischen (<< 1 keV) Ionen bei hoher Dosis (ca. 10^15 ionen/cm^2 ) an der Universität von Helsinki bestrahlt. Im Anschluss wurden die Proben bei atomarer Auflösung mit dem Nion UltraSTEM 100 Mikroskop an der Universität Wien untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Ionen mit passender Energie durch die ersten Graphenlagen schlagen, bevor sie in der Struktur gefangen werden. Eingeschlossen in Graphen, formen Edelgase kleine zweidimensionale Kristallite von herausragender Stabilität bei Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl von 60 keV. Einzelne Atome können abgebildet und flüssige Phasen identifiziert werden. Die Kristallite und Flüssigkeiten variieren in Größe und zeigen dynamisches Verhalten, welches vermutlich durch den Elektronenstrahl ausgelöst wird.In this work few-layer graphene is irradiated with noble gas ions, which leads to their trapping between the graphene layers and the formation of 2D noble gas crystallites and liquids. Exfoliated few-layer graphene was transferred onto a holey carbon Quantifoil(R) gold grid. The grids were irradiated with low energy (<< 1 keV) and high dose (ca. 10^15 ions /cm^2 ) at the University of Helsinki. The samples were subsequently analysed at the atomic level using the Nion UltraSTEM 100 microscope at the University of Vienna. Our results demonstrate that ions with a suitable energy pass through the first few graphene layers to then become trapped within the structure. It was found that in graphene encapsulation, the noble gas atoms form small two-dimensional crystallites with a remarkable stability under the 60 keV electron irradiation inside the microscope vacuum, and even individual atoms can be imaged. Also liquid phases can be observed. The crystallites and liquids vary in size, and occasionally show dynamic behaviour, presumably triggered by the electron irradiation

Beam-driven Dynamics of Aluminium Dopants in Graphene.

Substituting heteroatoms into graphene can tune its properties for applications ranging from catalysis to spintronics. The further recent discovery that covalent impurities in graphene can be manipulated at atomic precision using a focused electron beam may open avenues towards sub-nanometer device architectures. However, the preparation of clean samples with a high density of dopants is still very challenging. Here, we report vacancy-mediated substitution of aluminium into laser-cleaned graphene, and without removal from our ultra-high vacuum apparatus, study their dynamics under 60 keV electron irradiation using aberration-corrected scanning transmission electron microscopy and spectroscopy. Three- and four-coordinated Al sites are identified, showing excellent agreement with ab initio predictions including binding energies and electron energy-loss spectrum simulations. We show that the direct exchange of carbon and aluminium atoms predicted earlier occurs under electron irradiation, although unexpectedly it is less probable than the same process for silicon. We also observe a previously unknown nitrogen-aluminium exchange that occurs at Al─N double-dopant sites at graphene divacancies created by our plasma treatment