Strømlining af måling af fononspredning

I takt med at interessen for vedvarende energi og energieffektive enheder fortsætter med at vokse, det samme har det videnskabelige samfunds interesse i at opdage og designe nye materialer med ønskelige fysiske egenskaber, som kunne bruges i solceller eller energilagringsenheder. Et nøgleværktøj i dette arbejde er High Resolution Electron Energy Loss Spectroscopy (HREELS), som involverer at udsætte et materiale for en stråle af elektroner med kendt kinetisk energi. Mens elektronerne mister energi, når de preller af atomer i materialets overflade, at energitab kan måles og bruges til at foretage vigtige bestemmelser om materialet.

"Fononer, kollektive excitationer, der styrer bevægelsen af ​​atomer inden for krystalgitteret af et fast stof, er et emne af særlig interesse for forskere, fordi de påvirker fysiske egenskaber såsom et givet materiales evne til at lede elektricitet eller varme, " forklarede François C. Bocquet, en fysiker ved Forschungszentrum Jülich, et videnskabeligt forskningscenter i Jülich, Tyskland. "Disse egenskaber er vigtige, fordi de påvirker et materiales egnethed til brug i forskellige applikationer."

"Udfordringen har været, at det kan være meget tidskrævende for overfladeforskere, der bruger HREELS at måle fononers spredning eller nettotab af energi i alle vinkler. Indtil nu, det var kun muligt at måle en vinkel og et energitab ad gangen, så det kunne tage mere end en dag at måle spredningen. Faktisk, det kunne tage så meget som en uge, hvis du ikke tilfældigvis valgte en passende kinetisk energi for elektronerne i den indkommende stråle, fordi dette påvirker intensiteten af ​​fononerne og dermed den lethed, hvormed de kan måles, " sagde Bocquet.

For at løse disse problemer, Bocquet og hans kolleger har tilpasset et instrument brugt til HREELS med nye komponenter, så fononspredningen af ​​et givet materiale kan måles på få minutter. De beskriver deres enhed i denne uge i journalen Gennemgang af videnskabelige instrumenter .

"Vores apparat har to hovedkomponenter, der giver os mulighed for at forbedre målingen af ​​fononspredning, " sagde Bocquet, hvis forskning også er finansieret af Helmholtzforeningens initiativ- og netværksfond. "Den første er en halvkugleformet elektronanalysator, som har været brugt med succes i mere end et årti i Angular-Resolved Photoelectron Spectroscopy. Den anden er en elektronkilde med høj energiopløsning, der er udviklet i eget hjem. Det kan optimeres med software, som vi har skabt, så elektronerne i den indkommende stråle har den ønskede kinetiske energi og er fokuseret på et meget lille område på prøven, der passer til synsfeltet af den halvkugleformede elektronanalysator."

Den forbedrede tidsramme for bestemmelse af fononspredning har den ekstra fordel, at den giver overfladeforskere mulighed for at tage fat på prøver, hvis måling var for besværlig indtil nu.

"Overfladeforskere arbejder typisk under vakuumforhold, fordi overfladerne, de studerer, skal være ekstremt rene og ikke have forurenende stoffer. Da intet vakuum nogensinde er perfekt, imidlertid, de skal normalt stoppe med at måle en given prøve efter et par timer og forberede den igen. Nedskæring af tiden til at måle spredning betyder, at det nu er muligt at måle prøver, der er svære at forberede og kortlivede, " sagde Bocquet.

Bocquet og hans kolleger har til hensigt at bruge deres enhed til at undersøge materialer relateret til grafen, et velkendt stof, der har tiltrukket sig stor interesse blandt videnskabsmænd i det sidste årti. De er også ivrige efter at se, hvilke materialer andre overfladeforskere bruger det til at studere.

"Der er så mange interessante nye materialer under udvikling, hvis fysiske egenskaber kunne forstås dybere, hvis vi kunne måle deres fononspredning, " sagde Bocquet. "Denne information vil hjælpe videnskabsmænd og ingeniører med at bestemme disse materialers egnethed til brug i nye enheder, der adresserer presserende globale udfordringer."