Direkte visualisering af elektromagnetisk bølgedynamik ved hjælp af laserfri ultrahurtig elektronmikroskopi

Femtosekundslasere kan integreres med elektronmikroskoper til direkte at afbilde forbigående strukturer og morfologier i materialer i realtid og rum. I en ny rapport, Xuewen Fu og et team af forskere inden for kondenseret fysik, mikrosystemer, nanoteknologi og materialevidenskab i Kina og USA udviklede et laserfrit ultrahurtigt elektronmikroskop (UEM), der tilbyder lignende potentiale, men uden de nødvendige femtosekundlasere eller udførlige instrumentelle ændringer. Teamet oprettede picosekund-elektronpulser til at undersøge dynamiske hændelser ved at hakke en kontinuerlig stråle med en radiofrekvens (RF) -drevet pulser med en pulsrepetitionshastighed, der kan indstilles fra 100 MHz til 12 GHz. De studerede gigahertz elektromagnetiske bølgedynamik dynamik som en applikation for første gang i dette arbejde og afslørede det forbigående oscillerende elektromagnetiske felt på nanometerrum og picosekund tidsskalaer med tidsopløst polarisering, amplitude og lokal feltforbedring. Undersøgelsen viste brugen af ​​laserfri, ultrahurtig elektronmikroskopi (UEM) i realtids-visualisering til tværfaglig forskning-specifikt i elektrodynamiske enheder forbundet med informationsbehandlingsteknologi. Forskningsarbejdet er nu offentliggjort i Videnskab fremskridt .

Moderne elektronmikroskopi og laserfri ultrahurtig elektronmikroskopi

Moderne elektronmikroskopi kan give forskere mulighed for at få billeder af stof med atomopløsning på grund af picometerbølgelængden af ​​elektroner med høj energi, fremskridt inden for aberrationskorrektion og direkte detektionsteknikker. Metoden er et centralt værktøj på tværs af materialevidenskab til biologi, sammen med progressive fremskridt inden for elektronkrystallografi, tomografi og kryo-enkeltpartikelbilleddannelse. Konventionelt, elektronstrålen i et mikroskop frembringes ved en termionisk eller feltemissionsproces, og sådanne elektronkilder producerer statiske billeder eller dem, der tages med lange tidsintervaller på grund af iboende grænser for konventionelle elektrondetektorer. Avancerede elektronmikroskoper kræver derfor en stærk eller større tidsopløsning for at undersøge reaktionsveje i fysiske og kemiske overgange ud over detektorgrænserne. I dette arbejde, Fu et al. udviklet laserfrit, ultrahurtig elektronmikroskopi ved at kombinere en prototype RF-drevet elektronstrålepulsgiver til at skabe korte elektronpulser med en afstembar gentagelseshastighed fra 100 MHz til 12 GHz. Denne metode giver forskere mulighed for at optage ultrahurtige billeder og registrere forskellige mønstre af strukturelle overgange.

Ved hjælp af metoden, forskergruppen optimerede inputradiofrekvens (RF) effekt og frekvens for pulsen til at opnå en tidsopløsning på 10 picosekunder (ps) i instrumentet og brugte det samme bredbåndsstemmelige RF-signal til at lette prøveeksitation. Under de første demonstrationer af dets evne til at studere ultrahurtig dynamik, Fu et al. gennemført en pumpesondeundersøgelse om dynamik i udbredelse af elektromagnetiske bølger i en mikrostrimmelprøve med to interdigiterede kamme-en grundlæggende byggesten i mikroelektromekaniske radiofrekvenssystemer (MEMS). Ved at kombinere eksperimentelle resultater med numeriske simuleringer, holdet viste elektrodynamikken ved en gigahertz elektromagnetisk (EM) bølgeudbredelse i mikrostrimmelprøven. Dette fænomen kan fundamentalt bidrage til funktionaliteten af ​​de fleste informationsbehandlingsenheder og andre billeddannelsesteknikker, der i øjeblikket forbliver utilgængelige for billeddannelse på grund af størrelsesbegrænsninger.

Konceptuelt design - ny prototype

I det laserfrie UEM (ultrahurtigt elektronmikroskop) er det RF-drevne pulser system forbundet med et transmissionselektronmikroskop (TEM). Pulsen indeholdt to vandrende bølge metalliske kamstriplineelementer med en lille hakåbning mellem dem. Når pulsen blev drevet af et radiofrekvenssignal, holdet registrerede genereringen af ​​en sinusformet elektromagnetisk bølge (EM) i modulatoren, mens der indføres et oscillerende tværgående momentumspark til den indgående kontinuerlige elektronstråle. Systemets hakåbning opdelte den kontinuerlige stråle i periodiske elektronpulser. Ved hjælp af det nuværende design, de etablerede et bredbånds EM -felt med en frekvens fra 50 MHz til 6 GHz. Forskerne testede TEM's ydeevne efter at have integreret pulsen for at registrere et sæt billeddannelses- og diffraktionsresultater under en kontinuerlig strålemodus og pulseret strålemodus. Teamet undersøgte lysfeltbilleder af guldnanopartikler i begge tilstande, der var sammenlignelige i både intensitetsprofil og kontrast. Sammenlignelig billedkvalitet mellem pulserende stråle-tilstand og kontinuerlig stråle-tilstand viste god ydeevne og alsidighed i den nye laserfrie UEM-prototype.

Opløsningen af ​​det laserfrie UEM afhængede af varigheden af ​​de hakkede elektronpulser, som igen var afhængig af arbejdscyklussen for den hakkede elektronstråle. Fu et al. varierede denne parameter ved uafhængigt at ændre indgangens RF -effektfrekvens og/eller hakkeåbningens størrelse. I princippet, de kunne bruge højere input RF -effekt og en højere RF -frekvens med en mindre hakkeåbning for at opnå kortere, samt sub-picosekund eller femtosekund elektronpulser for yderligere at forbedre billedkvalitet og opløsning. Teamet demonstrerede derefter den ultrahurtige pumpesondemålingsevne for det laserfrie UEM til at forstå de oscillerende strømme og felter, der er nødvendige for at betjene næsten enhver informationsbehandlingsenhed. Fu et al. bemærkede tidsopløste billeder af EM-spredning i den interdigiterede kamstruktur for første gang ved en forstørrelse på 1200x, med en integreret tid på 1,5 sekunder. De studerede derefter afhængigheden af ​​EM -bølgepropagationsdynamikken for excitationskraften, hvor amplituden steg med stigende excitationseffekt.

Simuleret elektrisk feltfordeling

For yderligere at forstå eksperimenterne, Fu et al. udførte numeriske simuleringer af EM -bølgeudbredelse i en mikrostrimmel af to interdigiterede kamme med lignende geometri og materialer som eksperimenterne, og udførte simuleringen ved hjælp af en 3-D EM finite element analyse pakke. Teamet observerede øjebliksbilleder af den simulerede elektriske feltfordeling omkring de interdigiterede kamme på forskellige forsinkelsestider. Da prøven er ikke -magnetisk, virkningerne af magnetfelter var ubetydelige i forsøget. Da EM -bølgen forplantede sig gennem de interdigiterede kamme under undersøgelse, et tidsmæssigt oscillerende elektrisk felt etableret mellem hullerne i de interdigiterede kamme. De simulerede resultater var i god overensstemmelse med forsøgene.

På denne måde, Xuewen Fu og kolleger konstruerede et laserfrit ultrahurtigt elektronmikroskop (UEM) med høj opløsning i rumtid, ved at kombinere en radiofrekvens (RF) -drevet pulser med et kommercielt transmissionselektronmikroskop (TEM). Ved hjælp af den laserfrie UEM, Fu et al. studerede gigahertz elektromagnetisk (EM) bølgelængdeudbredelsesproces i en mikrostrimmel indeholdende to interdigiterede kamme. Holdet viste direkte visualisering af EM -feltoscillation med tiden for at afsløre feltamplitude, polarisationsretning og bølgeudbredelse på nanometer-picosekund tidsskala, som hidtil var utilgængelig med andre billeddannelsesteknikker. Den laserfrie UEM giver en stærk vej til at forstå elektrodynamik i små enheder, der fungerer på tværs af megahertz til gigahertz-frekvenser, såsom trådløse antenner, sensorer og RF -mikroelektromekaniske systemer (MEMS). Yderligere optimering vil tillade sub-picosekund og endda femtosekund-bølgepakker at aktivere femtosekund-tidsopløsning for laserfri UEM. Arbejdet vil have brede implikationer på tværs af materialefysik til biologi og mobil kommunikationsteknologi.

© 2020 Science X Network