SLACs ultrahurtige elektronkamera visualiserer krusninger i 2-D materiale

Ny forskning ledet af forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University viser, hvordan individuelle atomer bevæger sig i billioner af et sekund for at danne rynker på et tre-atom-tykt materiale. Afsløret af et helt nyt "elektronkamera, "en af ​​verdens hurtigste, dette hidtil usete detaljeringsniveau kan guide forskere i udviklingen af ​​effektive solceller, hurtig og fleksibel elektronik og højtydende kemiske katalysatorer.

Gennembruddet, accepteret til offentliggørelse 31. august in Nano bogstaver , kunne tage materialevidenskaben til et helt nyt niveau. Det blev gjort muligt med SLACs instrument til ultrahurtig elektrondiffraktion (UED), som bruger energiske elektroner til at tage øjebliksbilleder af atomer og molekyler på tidsskalaer så hurtigt som 100 kvadrilliondeler af et sekund.

"Dette er det første publicerede videnskabelige resultat med vores nye instrument, "sagde videnskabsmanden Xijie Wang, SLACs UED -teamleder. "Det viser metodens enestående kombination af atomopløsning, hastighed og følsomhed. "

SLAC-direktør Chi-Chang Kao sagde, "Sammen med komplementære data fra SLACs røntgenlaser Linac kohærent lyskilde, UED skaber hidtil usete muligheder for ultrahurtig videnskab inden for en bred vifte af discipliner, fra materialevidenskab til kemi til biovidenskaberne. "LCLS er et DOE Office of Science User Facility.

Ekstraordinære materialegenskaber i to dimensioner

Enlag, eller 2-D materialer, indeholder kun et enkelt lag af molekyler. I denne form kan de antage nye og spændende egenskaber som overlegen mekanisk styrke og en ekstraordinær evne til at lede elektricitet og varme. Men hvordan får disse monolag deres unikke egenskaber? Indtil nu, forskere havde kun et begrænset syn på de underliggende mekanismer.

"Funktionen af ​​2-D-materialer afhænger kritisk af, hvordan deres atomer bevæger sig, "sagde SLAC og Stanford -forsker Aaron Lindenberg, der ledede forskergruppen. "Imidlertid, ingen har nogensinde været i stand til at studere disse bevægelser på atomplan og i realtid før. Vores resultater er et vigtigt skridt i retning af at konstruere næste generations enheder fra enkeltlagsmaterialer. "Forskergruppen kiggede på molybdendisulfid, eller MoS2, som bruges i vid udstrækning som smøremiddel, men har en række interessante adfærd i enkeltlagsform - mere end 150, 000 gange tyndere end et menneskehår.

For eksempel, monolagsformen er normalt en isolator, men når den er strakt, det kan blive elektrisk ledende. Denne koblingsadfærd kan bruges i tynde, fleksibel elektronik og til at kode oplysninger i datalagringsenheder. Tynde film af MoS2 er også under undersøgelse som mulige katalysatorer, der letter kemiske reaktioner. Ud over, de fanger lys meget effektivt og kan bruges i fremtidige solceller.

På grund af denne stærke interaktion med lys, forskere tror også, at de muligvis kan manipulere materialets egenskaber med lysimpulser.

"For at konstruere fremtidige enheder, styr dem med lys og skab nye egenskaber gennem systematiske ændringer, vi skal først forstå de strukturelle transformationer af enkeltlag på atomniveau, "sagde Stanford -forsker Ehren Mannebach, undersøgelsens hovedforfatter.

Elektronekamera afslører ultrahurtige bevægelser

Tidligere analyser viste, at enkelte lag molybdendisulfid har en rynket overflade. Imidlertid, disse undersøgelser gav kun et statisk billede. Den nye undersøgelse afslører for første gang, hvordan overfladekrusninger dannes og udvikler sig som reaktion på laserlys.

Forskere ved SLAC placerede deres enkeltlagsprøver, som blev udarbejdet af Linyou Caos gruppe ved North Carolina State University, ind i en stråle af meget energiske elektroner. Elektronerne, der kommer bundtet i ultrakorte pulser, spred prøveens atomer og frembring et signal på en detektor, som forskere bruger til at bestemme, hvor atomer er placeret i monolaget. Denne teknik kaldes ultrahurtig elektrondiffraktion.

Holdet brugte derefter ultrakorte laserpulser til at ophidse bevægelser i materialet, som får spredningsmønsteret til at ændre sig over tid.

"Kombineret med teoretiske beregninger, disse data viser, hvordan lyspulserne genererer rynker, der har store amplituder - mere end 15 procent af lagets tykkelse - og udvikler sig ekstremt hurtigt, på omkring en billioner af et sekund. Det er første gang, nogen har visualiseret disse ultrahurtige atombevægelser, "Sagde Lindenberg.

Når forskerne bedre forstår monolag af forskellige materialer, de kunne begynde at sammensætte dem og konstruere blandede materialer med helt ny optisk, mekanisk, elektroniske og kemiske egenskaber.