高能离子辐照下石墨烯中的电子级联与二次电子发射

穿越石墨烯等二维材料的高能离子会产生强烈的电子激发。被激发到高于功函数能态的电子可引发二次电子发射，从而减少离子撞击后留在石墨烯中的能量。电子既可能被发射（动能转移），也可能被经过的离子俘获（势能转移）。为阐明这种在三维材料中不存在的行为，我们模拟了离子撞击后最初飞秒时间内石墨烯中的电子动力学。我们采用两种概念上不同的计算方法：一种基于蒙特卡洛（MC）方法，将电子视为经典粒子；另一种是含时密度泛函理论（TDDFT），对电子作量子力学描述。我们观察到，由MC模拟得到的电子发射对沉积能量的线性依赖，在通过互补的粒子网格法（particle-in-cell）模拟考虑发射电子与石墨烯的静电相互作用后，变为亚线性并更接近TDDFT值。我们的TDDFT模拟表明，电子俘获概率随离子速度增大而迅速降低，而二次电子发射在高速区占主导。我们估计，根据离子及其速度的不同，这些过程会使沉积在石墨烯层中的能量减少15%至65%。该发现清楚地表明，在建立二维材料离子辐照损伤产生的模型时，必须考虑电子发射。