Nyt linsesystem for lysere, skarpere diffraktionsbilleder

At designe og forbedre energilagringsmaterialer, smarte enheder, og mange flere teknologier, forskere skal forstå deres skjulte struktur og kemi. Avancerede forskningsteknikker, såsom ultrahurtig elektrondiffraktionsbilleddannelse kan afsløre denne information. Nu, en gruppe forskere fra US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har udviklet en ny og forbedret version af elektrondiffraktion ved Brookhaven's Accelerator Test Facility (ATF) - en DOE Office of Science User Facility, der tilbyder avanceret og unik eksperimentel instrumentering til studerer partikelacceleration til forskere fra hele verden. Forskerne publicerede deres resultater i Videnskabelige rapporter , et åbent tidsskrift af Nature Research.

Fremme af en forskningsteknik såsom ultrahurtig elektrondiffraktion vil hjælpe fremtidige generationer af materialeforskere med at undersøge materialer og kemiske reaktioner med ny præcision. Mange interessante ændringer i materialer sker ekstremt hurtigt og i små rum, så forbedrede forskningsteknikker er nødvendige for at studere dem til fremtidige anvendelser. Denne nye og forbedrede version af elektrondiffraktion tilbyder et springbræt til at forbedre forskellige elektronstrålerelaterede forskningsteknikker og eksisterende instrumentering.

"Vi implementerede vores nye fokuseringssystem til elektronstråler og demonstrerede, at vi kan forbedre opløsningen betydeligt sammenlignet med den konventionelle solenoideteknik, " sagde Xi Yang, forfatter til undersøgelsen og acceleratorfysiker ved National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science User Facility ved Brookhaven Lab. "Opløsningen afhænger hovedsageligt af lysets egenskaber - eller i vores tilfælde - af elektronstrålen. Dette er universelt for alle billeddannelsesteknikker, herunder lysmikroskopi og røntgenbilleder. Imidlertid, det er meget mere udfordrende at fokusere de ladede elektroner til en næsten parallel blyantlignende stråle ved prøven, end det ville være med lys, fordi elektroner er negativt ladede og derfor frastøder hinanden. Dette kaldes rumladningseffekten. Ved at bruge vores nye opsætning, vi var i stand til at overvinde rumladningseffekten og opnå diffraktionsdata, der er tre gange lysere og to gange skarpere; det er et stort spring i opløsning."

Hver elektrondiffraktionsopsætning bruger en elektronstråle, der er fokuseret på prøven, så elektronerne hopper af atomerne i prøven og rejser videre til detektoren bag prøven. Elektronerne skaber et såkaldt diffraktionsmønster, som kan oversættes til den strukturelle sammensætning af materialerne på nanoskala. Fordelen ved at bruge elektroner til at afbilde denne indre struktur af materialer er, at den såkaldte diffraktionsgrænse for elektroner er meget lav, hvilket betyder, at forskere kan løse mindre detaljer i strukturen sammenlignet med andre diffraktionsmetoder.

Der var brug for et mangfoldigt team af forskere for at forbedre en så kompleks forskningsmetode. Brookhaven Lab-teamet bestod af elektronstråleeksperter fra NSLS-II, elektronacceleratoreksperter fra ATF, og materialevidenskabelige eksperter fra afdelingen for kondenseret stoffysik og materialevidenskab (CMPMS).

"Dette fremskridt ville ikke have været muligt uden kombinationen af ​​al vores ekspertise på tværs af Brookhaven Lab. Hos NSLS-II, vi har ekspertise i, hvordan man håndterer elektronstrålen. ATF-gruppen bragte ekspertisen og evnerne til elektronkanon- og laserteknologierne - som begge var nødvendige for at skabe elektronstrålen i første omgang. Og CMPMS-gruppen har prøveekspertisen og, selvfølgelig, driver applikationens behov. Dette er en unik synergi og, sammen, vi var i stand til at vise, hvordan opløsningen af ​​teknikken kan forbedres drastisk, " sagde Li Hua Yu, NSLS-II senior acceleratorfysiker og medforfatter til undersøgelsen.

For at opnå dens forbedrede opløsning, holdet udviklede en anden metode til at fokusere elektronstrålen. I stedet for at bruge en konventionel tilgang, der involverer solenoide magneter, forskerne brugte to grupper af fire quadrupole magneter til at tune elektronstrålen. Sammenlignet med magnetmagneter, som kun fungerer som én linse til at forme strålen, Quadrupolmagneterne fungerer som et specialiseret linsesystem for elektronerne, og de gav forskerne langt mere fleksibilitet til at indstille og forme strålen efter behovene i deres eksperiment.

"Vores linsesystem kan give en bred vifte af afstemning af strålen. Vi kan optimere de vigtigste parametre såsom strålestørrelse, eller ladningstæthed, og stråledivergens baseret på de eksperimentelle forhold, og giver derfor den bedste strålekvalitet til de videnskabelige behov, " sagde Yang.

Teamet kan endda justere parametrene på farten med online optimeringsværktøjer og rette eventuelle uensartetheder i stråleformen; imidlertid, for at gøre denne måling mulig, holdet havde brug for den fremragende elektronstråle, som ATF leverer. ATF har en elektronkanon, der genererer en ekstremt lys og ultrakort elektronstråle, som giver de bedste betingelser for elektrondiffraktion.

"Holdet brugte en fotokatodepistol, der genererer elektronerne gennem en proces kaldet fotoemission, " sagde Mikhail Fedurin, en acceleratorfysiker ved ATF. "Vi skyder en ultrakort laserpuls ind i en kobberkatode, og når pulsen rammer katoden dannes der en sky af elektroner over kobberet. Vi trækker elektronerne væk ved hjælp af et elektrisk felt og accelererer dem derefter. Mængden af ​​elektroner i en af ​​disse impulser og vores evne til at accelerere dem til specifikke energier gør vores system attraktivt for materialevidenskabelig forskning - især for ultrahurtig elektrondiffraktion."

Fokuseringssystemet sammen med ATF-elektronstrålen er meget følsomt, så forskerne kan måle indflydelsen af ​​Jordens magnetfelt på elektronstrålen.

"Generelt, elektroner er altid påvirket af magnetiske felter - sådan styrer vi dem i partikelacceleratorer i første omgang; imidlertid, effekten af ​​Jordens magnetfelt er ikke ubetydelig for den lavenergistråle, vi brugte i dette eksperiment, " sagde Victor Smalyuk, NSLS-II accelerator fysik gruppeleder og medforfatter af undersøgelsen. "Strålen afveg fra den ønskede bane, som skabte vanskeligheder i den indledende startfase, så vi var nødt til at korrigere for denne effekt."

Ud over elektronstrålens høje lysstyrke og fokuseringssystemets høje præcision, holdet havde også brug for den rigtige prøve til at foretage disse målinger. CMPMS-gruppen forsynede holdet med en polykrystallinsk guldfilm for fuldt ud at udforske det nydesignede linsesystem og sætte det på prøve.

"Vi lavede prøven ved at afsætte guldatomerne på en flere nanometer tyk kulstoffilm ved hjælp af en teknik kaldet termisk fordampning, " sagde Junjie Li, en fysiker i CMPMS-afdelingen. "Vi fordampede guldpartikler, så de kondenserer på kulfilmen og danner små, isolerede nanopartikler, der langsomt smelter sammen og danner den polykrystallinske film."

Denne film var afgørende for målingerne, fordi den har tilfældigt orienterede krystaller, der smelter sammen. Derfor, prøvens indre struktur er ikke ensartet, men består af mange forskelligt orienterede områder, hvilket betyder, at diffraktionsmønsteret hovedsageligt afhænger af elektronstrålekvaliteterne. Dette giver forskerne det bedste grundlag for virkelig at teste deres linsesystem, at indstille strålen, og at se virkningen af ​​deres tuning direkte i kvaliteten af ​​diffraktionsmålingen.

"Vi satte i første omgang ud for at forbedre elektrondiffraktion til videnskabelige studier af materialer, men vi fandt også ud af, at denne teknik kan hjælpe os med at karakterisere vores elektronstråle. Faktisk, diffraktion er meget følsom over for elektronstråleparametrene, så vi kan bruge diffraktionsmønsteret af en kendt prøve til at måle vores stråleparametre præcist og direkte, hvilket normalt ikke er så nemt, " sagde Yang.

Teamet har til hensigt at forfølge yderligere forbedringer, og de har allerede planer om at udvikle et andet setup til ultrahurtig elektronmikroskopi for direkte at visualisere en biologisk prøve.

"Vi håber på at opnå ultrahurtig enkelt-shot elektronstrålebilleddannelse på et tidspunkt og måske endda lave molekylære film, hvilket ikke er muligt med vores nuværende elektronstrålebilledopsætning, " sagde Yang.