As impermeable to gas molecules and at the same time transparent to high-energy ions, graphene has been suggested as a window material for separating a high-vacuum ion beam system from targets kept at ambient conditions. However, accumulation of irradiation-induced damage in the graphene membrane may give rise to its mechanical failure. Using atomistic simulations, we demonstrate that irradiated graphene even with a high vacancy concentration does not show signs of such instability, indicating a considerable robustness of graphene windows. We further show that upper and lower estimates for the irradiation damage in graphene can be set using a simple model.
REFERENCES
1.
K. S.
Novoselov
, A. K.
Geim
, S. V.
Morozov
, D.
Jiang
, Y.
Zhang
, S. V.
Dubonos
, I. V.
Grigorieva
, and A. A.
Firsov
, Science
306
, 666
(2004
).2.
A. K.
Geim
, Science
324
, 1530
(2009
).3.
A. C.
Neto
, F.
Guinea
, N.
Peres
, K.
Novoselov
, and A.
Geim
, Rev. Mod. Phys.
81
, 109
(2009
).4.
C.
Lee
, X.
Wei
, J. W.
Kysar
, and J.
Hone
, Science
321
, 385
(2008
).5.
E.
Stolyarova
, D.
Stolyarov
, K.
Bolotin
, S.
Ryu
, L.
Liu
, K. T.
Rim
, M.
Klima
, M.
Hybertsen
, I.
Pogorelsky
, I.
Pavlishin
, et al., Nano Lett.
9
, 332
(2009
).6.
J. S.
Bunch
, S. S.
Verbridge
, J. S.
Alden
, A. M.
van der Zande
, J. M.
Parpia
, H. G.
Craighead
, and P. L.
McEuen
, Nano Lett.
8
, 2458
(2008
).7.
D.-E.
Jiang
, V. R.
Cooper
, and S.
Dai
, Nano Lett.
9
, 4019
(2009
).8.
Y.
Zhu
, S.
Murali
, M. D.
Stoller
, K. J.
Ganesh
, W.
Cai
, P. J.
Ferreira
, A.
Pirkle
, R. M.
Wallace
, K. A.
Cychosz
, M.
Thommes
et al., Science
332
, 1537
(2011
).9.
O.
Lehtinen
, J.
Kotakoski
, A. V.
Krasheninnikov
, A.
Tolvanen
, K.
Nordlund
, and J.
Keinonen
, Phys. Rev. B
81
, 153401
(2010
).10.
J.-C.
Dran
, J.
Salomon
, T.
Calligaro
, and P.
Walter
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
219–220
, 7
(2004
).11.
A.
Kolmakov
, D. A.
Dikin
, L. J.
Cote
, J.
Huang
, M. K.
Abyaneh
, M.
Amati
, L.
Gregoratti
, S.
Günther
, and M.
Kiskinova
, Nat. Nanotechnol.
6
, 651
(2011
).12.
L.
Tapasztó
, G.
Dobrik
, P.
Nemes-Incze
, G.
Vertesy
, P.
Lambin
, and L.
Biró
, Phys. Rev. B
78
, 233407
(2008
).13.
J.-H.
Chen
, W. G.
Cullen
, C.
Jang
, M. S.
Fuhrer
, and E. D.
Williams
, Phys. Rev. Lett.
102
, 236805
(2009
).14.
G.
Compagnini
, F.
Giannazzo
, S.
Sonde
, V.
Raineri
, and E.
Rimini
, Carbon
47
, 3201
(2009
).15.
F.
Giannazzo
, S.
Sonde
, V.
Raineri
, and E.
Rimini
, Appl. Phys. Lett.
95
, 263109
(2009
).16.
Y.-B.
Zhou
, Z.-M.
Liao
, Y.-F.
Wang
, G. S.
Duesberg
, J.
Xu
, Q.
Fu
, X.-S.
Wu
, and D.-P.
Yu
, J. Chem. Phys.
133
, 234703
(2010
).17.
S.
Mathew
, T.
Chan
, D.
Zhan
, K.
Gopinadhan
, A.-R.
Barman
, M.
Breese
, S.
Dhar
, Z.
Shen
, T.
Venkatesan
, and J. T.
Thong
, Carbon
49
, 1720
(2010
).18.
A.
Ney
, P.
Papakonstantinou
, A.
Kumar
, N.-G.
Shang
, and N.
Peng
, Appl. Phys. Lett.
99
, 102504
(2011
).19.
S.
Mathew
, T. K.
Chan
, D.
Zhan
, K.
Gopinadhan
, A. R.
Barman
, M. B. H.
Breese
, S.
Dhar
, Z. X.
Shen
, T.
Venkatesan
, and J. T. L.
Thong
, J. Appl. Phys.
110
, 084309
(2011
).20.
G.
Compagnini
, G.
Forte
, F.
Giannazzo
, V.
Raineri
, A. L.
Magna
, and I.
Deretzis
, J. Mol. Struct.
993
, 506
(2011
).21.
J.-H.
Chen
, L.
Li
, W. G.
Cullen
, E. D.
Williams
, and M. S.
Fuhrer
, Nat. Phys.
7
, 535
(2011
).22.
C.
Diaz-Pinto
, X.
Wang
, S.
Lee
, V.
Hadjiev
, D.
De
, W.-K.
Chu
, and H.
Peng
, Phys. Rev. B
83
, 235410
(2011
).23.
G.
Buchowicz
, P. R.
Stone
, J. T.
Robinson
, C. D.
Cress
, J. W.
Beeman
, and O. D.
Dubon
, Appl. Phys. Lett.
98
, 032102
(2011
).24.
L. G.
Cancado
, A.
Jorio
, E. H. M.
Ferreira
, F.
Stavale
, C. A.
Achete
, R. B.
Capaz
, M. V. O.
Moutinho
, A.
Lombardo
, T. S.
Kulmala
, and A. C.
Ferrari
, Nano Lett.
11
, 3190
(2011
).25.
M. M.
Ugeda
, D.
Fernández-Torre
, I.
Brihuega
, P.
Pou
, A. J.
Martínez-Galera
, R.
Pérez
, and J. M.
Gómez-Rodríguez
, Phys. Rev. Lett.
107
, 116803
(2011
).26.
M.
Ugeda
, I.
Brihuega
, F.
Hiebel
, P.
Mallet
, J.-Y.
Veuillen
, J.
Gómez-Rodríguez
, and F.
Ynduráin
, Phys. Rev. B
85
, 121402
(2012
).27.
E.
Åhlgren
, J.
Kotakoski
, and A.
Krasheninnikov
, Phys. Rev. B
83
, 115424
(2011
).28.
O.
Lehtinen
, J.
Kotakoski
, A. V.
Krasheninnikov
, and J.
Keinonen
, Nanotechnology
22
, 175306
(2011
).29.
K.
Nordlund
, M.
Ghaly
, R. S.
Averback
, M.
Caturla
, T.
Diaz de la Rubia
, and J.
Tarus
, Phys. Rev. B
57
, 7556
(1998
).30.
D.
Brenner
, Phys. Rev. B
42
, 9458
(1990
).31.
D.
Brenner
, Phys. Rev. B
46
, 1948
(1992
).32.
A.
Krasheninnikov
, K.
Nordlund
, M.
Sirviö
, E.
Salonen
, and J.
Keinonen
, Phys. Rev. B
63
, 245405
(2001
).33.
We refer to the projectile as ion throughout the text although the charge of the impinging particle is not explicitly taken into account in our simulation setup.
34.
J. F.
Ziegler
, J. P.
Biersack
, and U.
Littmark
, The Stopping and Range of Ions in Matter
(Pergamon
, New York
, 1985
).35.
H.
Berendsen
, J.
Postma
, W.
Van Gunsteren
, A.
DiNola
, and J.
Haak
, J. Chem. Phys.
81
, 3684
(1984
).36.
A.
Tolvanen
, J.
Kotakoski
, A. V.
Krasheninnikov
, and K.
Nordlund
, Appl. Phys. Lett.
91
, 173109
(2007
).37.
A.
Krasheninnikov
, K.
Nordlund
, and J.
Keinonen
, Appl. Phys. Lett.
81
, 1101
(2002
).38.
O.
Lehtinen
, E.
Dumur
, J.
Kotakoski
, A.
Krasheninnikov
, K.
Nordlund
, and J.
Keinonen
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
269
, 1327
(2011
).39.
R.
Khare
, S. L.
Mielke
, J. T.
Paci
, S.
Zhang
, R.
Ballarini
, G. C.
Schatz
, and T.
Belytschko
, Phys. Rev. B
75
, 075412
(2007
).40.
J.
Kotakoski
, C.
Jin
, O.
Lehtinen
, K.
Suenaga
, and A.
Krasheninnikov
, Phys. Rev. B
82
, 113404
(2010
).41.
J. C.
Meyer
, F.
Eder
, S.
Kurasch
, V.
Skakalova
, J.
Kotakoski
, H. J.
Park
, A.
Chuvilin
, G.
Benner
, A. V.
Krasheninnikov
, and U.
Kaiser
, Phys. Rev. Lett.
108
, 196102
(2012
).42.
J.
Kotakoski
, D.
Santos-Cottin
, and A. V.
Krasheninnikov
, ACS Nano
6
, 671
(2012
).43.
O.
Leenaerts
, B.
Partoens
, and F. M.
Peeters
, Appl. Phys. Lett.
93
, 193107
(2008
).44.
G.-D.
Lee
, C.
Wang
, E.
Yoon
, N.-M.
Hwang
, D.-Y.
Kim
, and K.
Ho
, Phys. Rev. Lett.
95
, 205501
(2005
).45.
J.
Kotakoski
, J.
Meyer
, S.
Kurasch
, D.
Santos-Cottin
, U.
Kaiser
, and A.
Krasheninnikov
, Phys. Rev. B
83
, 245420
(2011
).46.
J.
Kotakoski
, A. V.
Krasheninnikov
, U.
Kaiser
, and J. C.
Meyer
, Phys. Rev. Lett.
106
, 105505
(2011
).47.
J. C.
Meyer
, S.
Kurasch
, H. J.
Park
, V.
Skakalova
, D.
Künzel
, A.
Groß
, A.
Chuvilin
, G.
Algara-Siller
, S.
Roth
, T.
Iwasaki
et al., Nat. Mater.
10
, 209
(2011
).© 2012 American Institute of Physics.
2012
American Institute of Physics
You do not currently have access to this content.
