Ultratynd og ultrahurtig:Forskere banebrydende ny teknik til todimensionel materialeanalyse

Discovery gør det muligt for forskere at se på, hvordan 2-D-materialer bevæger sig med ultrahurtig præcision.

Ved hjælp af en aldrig før set teknik, forskere har fundet en ny måde at bruge nogle af verdens mest kraftfulde røntgenstråler til at afdække, hvordan atomer bevæger sig i et enkelt atomark ved ultrahurtige hastigheder.

Studiet, ledet af forskere ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory og i samarbejde med andre institutioner, herunder University of Washington og DOE's SLAC National Accelerator Laboratory, udviklet en ny teknik kaldet ultrahurtig overflade røntgenstråling. Denne teknik afslørede den ændrede struktur af en atomtynd todimensionel krystal, efter at den var spændt med en optisk laserpuls.

"At udvide [overflade røntgenstråling] til at lave ultrahurtig videnskab i enkeltlagsmaterialer repræsenterer et stort teknologisk fremskridt, der kan vise os meget om, hvordan atomer opfører sig på overflader og i grænsefladerne mellem materialer, "sagde Argonne -videnskabsmand Haidan Wen.

I modsætning til tidligere overflade røntgenspredningsteknikker, denne nye metode går ud over at give et statisk billede af atomerne på et materiales overflade for at fange atomers bevægelser på tidsskalaer så korte som billioner af et sekund efter laser excitation.

Statisk overflade røntgenstråling og en vis tidsafhængig overflade røntgenstråling kan udføres ved en synkrotron røntgenkilde, men for at lave ultrahurtig overflade røntgenstråling havde forskerne brug for at bruge Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenfri elektronelaser ved SLAC. Denne lyskilde giver meget lyse røntgenstråler med ekstremt korte eksponeringer på 50 femtosekunder. Ved hurtigt at levere store mængder fotoner til prøven, forskerne var i stand til at generere et tilstrækkeligt stærkt tidsopløst spredesignal, dermed visualisere atomernes bevægelse i 2-D materialer.

"Spredning af røntgenstråler på overfladen er udfordrende nok alene, "sagde Argonne røntgenfysiker Hua Zhou, forfatter til undersøgelsen. "At udvide det til at lave ultrahurtig videnskab i enkeltlagsmaterialer repræsenterer et stort teknologisk fremskridt, der kan vise os meget om, hvordan atomer opfører sig på overflader og i grænsefladerne mellem materialer."

I todimensionelle materialer, atomer vibrerer typisk lidt langs alle tre dimensioner under statiske forhold. Imidlertid, på ultrahurtige tidsskalaer, et andet billede af atomadfærd dukker op, sagde Argonne -fysiker og studieforfatter Haidan Wen.

Ved hjælp af ultrahurtig overflade røntgenstråling, Wen og postdoktorforsker I-Cheng Tung ledede en undersøgelse af et todimensionelt materiale kaldet wolframdiselenid (WSe ₂ ). I dette materiale, hvert wolframatom forbinder til to selenatomer i en "V" -form. Når enkeltlagsmaterialet rammes med en optisk laserpuls, energien fra laseren får atomerne til at bevæge sig inden i materialets plan, skabe en kontraintuitiv effekt.

"Du ville normalt forvente, at atomerne bevæger sig ud af flyet, da det er der den ledige plads er, "Wen sagde." Men her ser vi dem mest vibrere i flyet lige efter excitation. "

Disse observationer blev understøttet af førsteprincipberegninger ledet af Aiichiro Nakano ved University of Southern California og videnskabsmand Pierre Darancet fra Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science brugerfacilitet.

Teamet opnåede foreløbige målinger af overflade-røntgenspredning ved Argonnes Advanced Photon Source (APS), også en DOE Office of Science User Facility. Disse målinger, selvom de ikke blev taget med ultrahurtige hastigheder, tillod forskerne at kalibrere deres tilgang til LCLS-frielektronlaseren, Sagde Wen.

Atomskiftets retning og måderne, hvorpå gitterændringerne har vigtige virkninger på egenskaberne af todimensionelle materialer som WSe ₂ , ifølge University of Washington professor Xiaodong Xu. "Fordi disse 2-D materialer har rige fysiske egenskaber, forskere er interesserede i at bruge dem til at udforske grundlæggende fænomener samt potentielle anvendelser inden for elektronik og fotonik, "sagde han." Visualisering af atomernes bevægelse i enkelte atomkrystaller er et sandt gennembrud og vil give os mulighed for at forstå og skræddersy materialegenskaber til energirelevante teknologier. "

"Denne undersøgelse giver os en ny måde at undersøge strukturelle forvrængninger i 2-D materialer, når de udvikler sig, og for at forstå, hvordan de er relateret til unikke egenskaber ved disse materialer, som vi håber at udnytte til elektroniske enheder, der bruger, udsende eller styre lys, "tilføjede Aaron Lindenberg, en professor ved SLAC og Stanford University og samarbejdspartner om undersøgelsen. "Disse fremgangsmåder kan også anvendes på en bred klasse af andre interessante og dårligt forståede fænomener, der opstår i grænsefladerne mellem materialer."

Et papir baseret på undersøgelsen, "Anisotrop strukturel dynamik af monolagskrystaller afsløret ved femtosekund overflade røntgenstråling, "dukkede op i den 11. marts online -udgave af Natur fotonik .

Andre forfattere på undersøgelsen omfattede forskere fra University of Washington, University of Southern California, Stanford University, SLAC og Kumamoto University (Japan). APS, CNM, og LCLS er DOE Office of Science brugerfaciliteter.