Et nyt look under overfladen af ​​nanomaterialer

Forskere kan nu se dybere ind i nye materialer for at studere deres struktur og adfærd, takket være arbejde udført af en international gruppe forskere ledet af UC Davis og Lawrence Berkeley National Laboratory og offentliggjort den 14. august af tidsskriftet Naturmaterialer.

Teknikken vil muliggøre mere detaljeret undersøgelse af nye typer materialer til brug i elektronik, energiproduktion, kemi og andre applikationer.

Teknikken, kaldet vinkelopløst fotoemission, har været brugt siden 1970'erne til at studere materialer, især egenskaber såsom halvledningsevne, superledning og magnetisme. Men teknikken tillader sondering til en dybde på kun omkring en nanometer under overfladen af ​​et materiale, en grænse pålagt af den stærke uelastiske spredning af de udsendte elektroner.

UC Davis/LBNL-holdets gennembrudsarbejde gjorde brug af den højintensive røntgenkilde, der drives af det japanske nationale institut for materialevidenskab på SPring8 synkrotronstrålingsanlægget i Hyogo, Japan, og gjorde det muligt for forskere at se langt dybere ind i et materiale, give mere information og reducere overfladeeffekter.

"Vi kan nu tage dette til meget højere energier end tidligere antaget, " sagde Chuck Fadley, professor i fysik ved UC Davis og Lawrence Berkeley Lab, som er seniorforfatter af papiret.

Teknikken er baseret på den fotoelektriske effekt beskrevet af Einstein i 1905:Når en foton skydes ind i et materiale, det slår en elektron ud. Ved at måle vinklen, energi og måske spin af de udstødte elektroner, forskere kan lære i detaljer om elektronbevægelse og binding i materialet.

Tidligere, teknikken brugte energier på omkring 10 til 150 elektron-volt. Arbejder på det japanske anlæg, Fadley og hans kolleger var i stand til at øge det til så højt som 6, 000 elektronvolt - energier, der øgede sonderingsdybden op til 20 gange.

Takket være de seneste fremskridt inden for elektronoptik, holdet var også i stand til at indsamle nøjagtig information ved hjælp af specialdesignede spektrometre - effektivt kameraer til elektroner.

Spektrometret er lidt som et pinhole-kamera, Fadley bemærkede. Det er nemt at få et skarpt billede med et pinhole-kamera ved at holde indgangsåbningen lille. Åbn denne blænde, og der kommer meget mere lys ind, men et klart billede bliver sværere at udtrække. Men nye udviklinger inden for elektronoptik, især i Sverige, har gjort det muligt at detektere tilstrækkelige elektroner til at udføre sådanne eksperimenter.

Flere kraftige røntgenkilder kører eller bliver nu bygget i Europa og Asien, selvom ingen endnu er planlagt i USA, sagde Fadley. Den nye teknik vil kunne bruges både til grundforskning og kommerciel forskning i nye materialer til elektronik og teknologi.

Fadley bemærkede, at han først havde foreslået ideen om at bruge en højintensiv røntgenkilde til at se dybere under overfladen af ​​materialer omkring 1980, men hverken røntgenkilderne eller spektrometrene eksisterede for at gøre forsøget muligt.