The response of a free-standing graphene monolayer exposed to a few tens of femtoseconds long extreme ultraviolet (XUV) pulse was studied theoretically in order to analyze and compare contributions of various mechanisms to the graphene damage, understood here as a global atomic disintegration. Our simulation results indicate that nonthermal disintegration of the atomic structure is the predominant damage mechanism for a free-standing graphene layer. Only at high absorbed doses, charge-induced disintegration of the graphene structure prevails. We also demonstrate that the progressing damage can be probed by femtosecond optical pulses in the soft UV regime (4 eV photon energy). The achieved quantitative understanding of the damage mechanisms may enable a better control of graphene-based devices when they are exposed to x-ray radiation, as well as an efficient processing of graphene layers with ultrashort intense XUV pulses.

1.
J.
Rossbach
,
J. R.
Schneider
, and
W.
Wurth
,
Phys. Rep.
808
,
1
(
2019
).
2.
C.
Bostedt
,
S.
Boutet
,
D. M.
Fritz
,
Z.
Huang
,
H. J.
Lee
,
H. T.
Lemke
,
A.
Robert
,
W. F.
Schlotter
,
J. J.
Turner
, and
G. J.
Williams
,
Rev. Mod. Phys.
88
,
015007
(
2016
).
3.
D.
Pile
,
Nat. Photonics
5
,
456
(
2011
).
4.
J. B.
Pelka
,
R.
Sobierajski
,
D.
Klinger
,
W.
Paszkowicz
,
J.
Krzywinski
,
M.
Jurek
,
D.
Zymierska
,
A.
Wawro
,
A.
Petroutchik
,
L.
Juha
,
V.
Hajkova
,
J.
Cihelka
,
J.
Chalupsky
,
T.
Burian
,
L.
Vysin
,
S.
Toleikis
,
K.
Sokolowski-Tinten
,
N.
Stojanovic
,
U.
Zastrau
,
R.
London
,
S.
Hau-Riege
,
C.
Riekel
,
R.
Davies
,
M.
Burghammer
,
E.
Dynowska
,
W.
Szuszkiewicz
,
W.
Caliebe
, and
R.
Nietubyc
,
Radiat. Phys. Chem.
78
,
S46
(
2009
).
5.
F.
Graziani
,
M. P.
Desjarlais
,
R.
Redmer
, and
S. B.
Trickey
,
Frontiers and Challenges in Warm Dense Matter
(
Springer-Verlag New York, Inc.
,
New York
,
2014
).
6.
S. M.
Vinko
,
O.
Ciricosta
,
B. I.
Cho
,
K.
Engelhorn
,
H.-K.
Chung
,
C. R. D.
Brown
,
T.
Burian
,
J.
Chalupský
,
R. W.
Falcone
,
C.
Graves
,
V.
Hájková
,
A.
Higginbotham
,
L.
Juha
,
J.
Krzywinski
,
H. J.
Lee
,
M.
Messerschmidt
,
C. D.
Murphy
,
Y.
Ping
,
A.
Scherz
,
W.
Schlotter
,
S.
Toleikis
,
J. J.
Turner
,
L.
Vysin
,
T.
Wang
,
B.
Wu
,
U.
Zastrau
,
D.
Zhu
,
R. W.
Lee
,
P. A.
Heimann
,
B.
Nagler
, and
J. S.
Wark
,
Nature
482
,
59
(
2012
).
7.
T.-H.
Dinh
,
N.
Medvedev
,
M.
Ishino
,
T.
Kitamura
,
N.
Hasegawa
,
T.
Otobe
,
T.
Higashiguchi
,
K.
Sakaue
,
M.
Washio
,
T.
Hatano
,
A.
Kon
,
Y.
Kubota
,
Y.
Inubushi
,
S.
Owada
,
T.
Shibuya
,
B.
Ziaja
, and
M.
Nishikino
,
Commun. Phys.
2
,
150
(
2019
).
8.
J.
Chalupský
,
L.
Juha
,
J.
Kuba
,
J.
Cihelka
,
V.
Hájková
,
S.
Koptyaev
,
J.
Krása
,
A.
Velyhan
,
M.
Bergh
,
C.
Caleman
,
J.
Hajdu
,
R. M.
Bionta
,
H.
Chapman
,
S. P.
Hau-Riege
,
R. A.
London
,
M.
Jurek
,
J.
Krzywinski
,
R.
Nietubyc
,
J. B.
Pelka
,
R.
Sobierajski
,
J.
Meyer-ter-Vehn
,
A.
Tronnier
,
K.
Sokolowski-Tinten
,
N.
Stojanovic
,
K.
Tiedtke
,
S.
Toleikis
,
T.
Tschentscher
,
H.
Wabnitz
, and
U.
Zastrau
,
Opt. Express
15
,
6036
(
2007
).
9.
J.
Chalupský
,
L.
Juha
,
V.
Hájková
,
J.
Cihelka
,
L.
Vyšín
,
J.
Gautier
,
J.
Hajdu
,
S. P.
Hau-Riege
,
M.
Jurek
,
J.
Krzywinski
,
R. A.
London
,
E.
Papalazarou
,
J. B.
Pelka
,
G.
Rey
,
S.
Sebban
,
R.
Sobierajski
,
N.
Stojanovic
,
K.
Tiedtke
,
S.
Toleikis
,
T.
Tschentscher
,
C.
Valentin
,
H.
Wabnitz
, and
P.
Zeitoun
,
Opt. Express
17
,
208
(
2009
).
10.
N.
Medvedev
,
V.
Tkachenko
,
V.
Lipp
,
Z.
Li
, and
B.
Ziaja
,
4open
1
,
3
(
2018
).
11.
N.
Medvedev
,
H. O.
Jeschke
, and
B.
Ziaja
,
New J. Phys.
15
,
015016
(
2013
).
12.
F.
Tavella
,
H.
Höppner
,
V.
Tkachenko
,
N.
Medvedev
,
F.
Capotondi
,
T.
Golz
,
Y.
Kai
,
M.
Manfredda
,
E.
Pedersoli
,
M. J.
Prandolini
,
N.
Stojanovic
,
T.
Tanikawa
,
U.
Teubner
,
S.
Toleikis
, and
B.
Ziaja
,
High Energy Density Phys.
24
,
22
(
2017
).
13.
R.
Follath
,
T.
Koyama
,
V.
Lipp
,
N.
Medvedev
,
K.
Tono
,
H.
Ohashi
,
L.
Patthey
,
M.
Yabashi
, and
B.
Ziaja
,
Sci. Rep.
9
,
2029
(
2019
).
14.
J.
Chalupský
,
J.
Krzywinski
,
L.
Juha
,
V.
Hájková
,
J.
Cihelka
,
T.
Burian
,
L.
Vyšín
,
J.
Gaudin
,
A.
Gleeson
,
M.
Jurek
,
A. R.
Khorsand
,
D.
Klinger
,
H.
Wabnitz
,
R.
Sobierajski
,
M.
Störmer
,
K.
Tiedtke
, and
S.
Toleikis
,
Opt. Express
18
,
27836
(
2010
).
15.
J.
Chalupský
,
T.
Burian
,
V.
Hájková
,
L.
Juha
,
T.
Polcar
,
J.
Gaudin
,
M.
Nagasono
,
R.
Sobierajski
,
M.
Yabashi
, and
J.
Krzywinski
,
Opt. Express
21
,
26363
(
2013
).
16.
N.
Medvedev
and
B.
Ziaja
,
Sci. Rep.
8
,
5284
(
2018
).
17.
J. C.
Meyer
,
A. K.
Geim
,
M. I.
Katsnelson
,
K. S.
Novoselov
,
T. J.
Booth
, and
S.
Roth
,
Nature
446
,
60
(
2007
).
18.
A. K.
Geim
and
K. S.
Novoselov
,
Nat. Mater.
6
,
183
(
2007
).
19.
J.
Hopster
,
R.
Kozubek
,
B.
Ban-d’Etat
,
S.
Guillous
,
H.
Lebius
, and
M.
Schleberger
,
2D Mater.
1
,
011011
(
2014
).
20.
R.
Zan
,
Q. M.
Ramasse
,
R.
Jalil
,
T.
Georgiou
,
U.
Bangert
, and
K. S.
Novoselov
,
ACS Nano
7
,
10167
(
2013
).
21.
S. Y.
Zhou
,
Ç. Ö.
Girit
,
A.
Scholl
,
C. J.
Jozwiak
,
D. A.
Siegel
,
P.
Yu
,
J. T.
Robinson
,
F.
Wang
,
A.
Zettl
, and
A.
Lanzara
,
Phys. Rev. B
80
,
121409
(
2009
).
22.
E.
Akcöltekin
,
T.
Peters
,
R.
Meyer
,
A.
Duvenbeck
,
M.
Klusmann
,
I.
Monnet
,
H.
Lebius
, and
M.
Schleberger
,
Nat. Nanotechnol.
2
,
290
(
2007
).
23.
V.
Vozda
,
N.
Medvedev
,
J.
Chalupský
,
J.
Čechal
,
T.
Burian
,
V.
Hájková
,
L.
Juha
,
M.
Krůs
, and
J.
Kunc
,
Carbon
161
,
36
(
2020
).
24.
A.
Gao
,
C. J.
Lee
, and
F.
Bijkerk
,
J. Appl. Phys.
116
,
054312
(
2014
).
25.
A.
Roberts
,
D.
Cormode
,
C.
Reynolds
,
T.
Newhouse-Illige
,
B. J.
Leroy
, and
A. S.
Sandhu
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
051912
(
2011
).
26.
E.
Gruber
,
R. A.
Wilhelm
,
R.
Pétuya
,
V.
Smejkal
,
R.
Kozubek
,
A.
Hierzenberger
,
B. C.
Bayer
,
I.
Aldazabal
,
A. K.
Kazansky
,
F.
Libisch
,
A. V.
Krasheninnikov
,
M.
Schleberger
,
S.
Facsko
,
A. G.
Borisov
,
A.
Arnau
, and
F.
Aumayr
,
Nat. Commun.
7
,
13948
(
2016
).
27.
P.
Yeh
,
Optical Waves in Layered Media
,
Wiley Series in Pure and Applied Optics
(
Wiley, New York
,
2005
).
28.
B.
Ziaja
,
R. A.
London
, and
J.
Hajdu
,
J. Appl. Phys.
97
,
064905
(
2005
).
29.
M.
Harmand
,
R.
Coffee
,
M. R.
Bionta
,
M.
Chollet
,
D.
French
,
D.
Zhu
,
D. M.
Fritz
,
H. T.
Lemke
,
N.
Medvedev
,
B.
Ziaja
,
S.
Toleikis
, and
M.
Cammarata
,
Nat. Photonics
7
,
215
(
2013
).
30.
R.
Riedel
,
A.
Al-Shemmary
,
M.
Gensch
,
T.
Golz
,
M.
Harmand
,
N.
Medvedev
,
M. J.
Prandolini
,
K.
Sokolowski-Tinten
,
S.
Toleikis
,
U.
Wegner
,
B.
Ziaja
,
N.
Stojanovic
, and
F.
Tavella
,
Nat. Commun.
4
,
1731
(
2013
).
31.
D. E.
Cullen
, in
A Survey of Atomic Binding Energies for Use in EPICS2017
,
Vienna
,
2018
.
32.
Y.-K.
Kim
and
M. E.
Rudd
,
Phys. Rev. A
50
,
3954
(
1994
).
33.
N.
Medvedev
,
V.
Tkachenko
, and
B.
Ziaja
,
Contrib. Plasma Phys.
55
,
12
(
2015
).
34.
M.
Toufarová
,
V.
Hájková
,
J.
Chalupský
,
T.
Burian
,
J.
Vacík
,
V.
Vorlíček
,
L.
Vyšín
,
J.
Gaudin
,
N.
Medvedev
,
B.
Ziaja
,
M.
Nagasono
,
M.
Yabashi
,
R.
Sobierajski
,
J.
Krzywinski
,
H.
Sinn
,
M.
Störmer
,
K.
Koláček
,
K.
Tiedtke
,
S.
Toleikis
, and
L.
Juha
,
Phys. Rev. B
96
,
214101
(
2017
).
35.
N.
Medvedev
,
Z.
Li
,
V.
Tkachenko
, and
B.
Ziaja
,
Phys. Rev. B
95
,
014309
(
2017
).
36.
V.
Tkachenko
,
N.
Medvedev
,
Z.
Li
,
P.
Piekarz
, and
B.
Ziaja
,
Phys. Rev. B
93
,
144101
(
2016
).
37.
C. H.
Xu
,
C. Z.
Wang
,
C. T.
Chan
, and
K. M.
Ho
,
J. Phys.: Condens. Matter
4
,
6047
(
1992
).
38.
J.
Gaudin
,
N.
Medvedev
,
J.
Chalupský
,
T.
Burian
,
S.
Dastjani-Farahani
,
V.
Hájková
,
M.
Harmand
,
H. O.
Jeschke
,
L.
Juha
,
M.
Jurek
,
D.
Klinger
,
J.
Krzywinski
,
R. A.
Loch
,
S.
Moeller
,
M.
Nagasono
,
C.
Ozkan
,
K.
Saksl
,
H.
Sinn
,
R.
Sobierajski
,
P.
Sovák
,
S.
Toleikis
,
K.
Tiedtke
,
M.
Toufarová
,
T.
Tschentscher
,
V.
Vorlíček
,
L.
Vyšín
,
H.
Wabnitz
, and
B.
Ziaja
,
Phys. Rev. B
88
,
060101(R)
(
2013
).
39.
H. O.
Jeschke
,
M. E.
Garcia
, and
K. H.
Bennemann
,
Appl. Phys. A
69
,
S49
(
1999
).
40.
B. F.
Murphy
,
T.
Osipov
,
Z.
Jurek
,
L.
Fang
,
S.-K.
Son
,
M.
Mucke
,
J. H. D.
Eland
,
V.
Zhaunerchyk
,
R.
Feifel
,
L.
Avaldi
,
P.
Bolognesi
,
C.
Bostedt
,
J. D.
Bozek
,
J.
Grilj
,
M.
Guehr
,
L. J.
Frasinski
,
J.
Glownia
,
D. T.
Ha
,
K.
Hoffmann
,
E.
Kukk
,
B. K.
McFarland
,
C.
Miron
,
E.
Sistrunk
,
R. J.
Squibb
,
K.
Ueda
,
R.
Santra
, and
N.
Berrah
,
Nat. Commun.
5
,
4281
(
2014
).
41.
A.
Laitinen
,
M.
Oksanen
,
A.
Fay
,
D.
Cox
,
M.
Tomi
,
P.
Virtanen
, and
P. J.
Hakonen
,
Nano Lett.
14
,
3009
(
2014
).
42.
E.
Pomarico
,
M.
Mitrano
,
H.
Bromberger
,
M. A.
Sentef
,
A.
Al-Temimy
,
C.
Coletti
,
A.
Stöhr
,
S.
Link
,
U.
Starke
,
C.
Cacho
,
R.
Chapman
,
E.
Springate
,
A.
Cavalleri
, and
I.
Gierz
,
Phys. Rev. B
95
,
024304
(
2017
).
43.
S.
Krylow
,
F. V.
Hernandez
,
B.
Bauerhenne
, and
M. E.
Garcia
,
Phys. Rev. B
101
,
205428
(
2020
).
44.
N.
Medvedev
and
I.
Milov
,
Phys. Rev. B
102
,
064302
(
2020
).
45.
Z.
Lin
,
L.
Zhigilei
, and
V.
Celli
,
Phys. Rev. B
77
,
075133
(
2008
).
46.
C. H.
Lui
,
K. F.
Mak
,
J.
Shan
, and
T. F.
Heinz
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
127404
(
2010
).
47.
Y. D.
Fomin
and
V. V.
Brazhkin
,
Carbon
157
,
767
(
2020
).
48.
B. L.
Henke
,
E. M.
Gullikson
, and
J. C.
Davis
,
At. Data Nucl. Data Tables
54
,
181
(
1993
).
49.
B.
Andonovic
,
A.
Grozdanov
,
P.
Paunović
, and
A. T.
Dimitrov
,
Micro Nano Lett.
10
,
683
(
2015
).
50.
S. M.
Clark
,
K.-J.
Jeon
,
J.-Y.
Chen
, and
C.-S.
Yoo
,
Solid State Commun.
154
,
15
(
2013
).
51.
M. S.
Seehra
,
V.
Narang
,
U. K.
Geddam
, and
A. B.
Stefaniak
,
Carbon
111
,
380
(
2017
).
52.
M.
Gulde
,
S.
Schweda
,
G.
Storeck
,
M.
Maiti
,
H. K.
Yu
,
A. M.
Wodtke
,
S.
Schafer
, and
C.
Ropers
,
Science
345
,
200
(
2014
).
53.
M.
Bruna
and
S.
Borini
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
031901
(
2009
).
54.
H. S.
Skulason
,
P. E.
Gaskell
, and
T.
Szkopek
,
Nanotechnology
21
,
295709
(
2010
).
You do not currently have access to this content.