Skematisk fremstilling af lokale gittervibrationer i grafen, der er begejstret af en bølgefront af transmitterede hurtige elektroner. Kredit:Ryosuke Senga, AIST
For at forstå avancerede materialer som grafen-nanostrukturer og optimere dem til enheder i nano-, opto- og kvante-teknologi er det afgørende at forstå, hvordan fononer- vibrationer af atomer i faste stoffer- påvirker materialernes egenskaber. Forskere fra universitetet i Wien, det avancerede institut for videnskab og teknologi i Japan, virksomheden JEOL og La Sapienza University i Rom har udviklet en metode, der er i stand til at måle alle eksisterende fononer i et nanostruktureret materiale. Dette er et gennembrud i analysen af funktionelle materialer og enheder i nanoskala. Med dette pilotforsøg ved hjælp af grafen -nanostrukturer har disse forskere vist det unikke ved deres tilgang, som vil blive offentliggjort i det seneste nummer af Natur .
Vigtig termisk, mekanisk, Optoelektroniske og transportkarakteristika af materialer styres af fononer:de formerende atomare vibrationsbølger. Det kan derefter antages, at bestemmelsen af sådanne forlængede atomvibrationer er afgørende for optimeringen af nanoelektroniske enheder. De nuværende tilgængelige teknikker anvender optiske metoder såvel som uelastiske elektron-, Røntgen- og neutronspredning. På trods af dens videnskabelige betydning i det sidste årti, ingen af disse metoder har været i stand til at bestemme alle fononer i et fritstående monolag af todimensionale (2-D) materialer såsom grafen og deres lokale variationer inden for et grafen-nanoribbon, som igen bruges som aktive elementer i nano- og optoelektronik.
De nye grænser for nanospektroskopi
Et internationalt forskerhold med førende eksperter i elektronspektroskopi ledet af Thomas Pichler ved universitetet i Wien, teoretisk spektroskopi ledet af Francesco Mauri ved La Sapienza University i Rom og elektronmikroskopi ledet af Kazu Suenaga ved AIST Tsukuba i Japan, sammen med det japanske firma JEOL har præsenteret en original metode, der anvender den på grafen -nanostrukturer som model:"højopløselig elektronspektroskopi inde i et elektronmikroskop med tilstrækkelig følsomhed til at måle selv et atomisk enkeltlag." På denne måde kunne de for første gang bestemme alle vibrationstilstande for fritstående grafen samt den lokale udvidelse af forskellige vibrationstilstande i et grafen -nanoribbon. Denne nye metode, som de kaldte "stor q -kortlægning" åbner helt nye muligheder for at bestemme den rumlige og momentumforlængelse af fononer i alle nanostrukturerede såvel som todimensionelle avancerede materialer. Disse eksperimenter skubber grænserne for nanospektroskopi, der nærmer sig grænserne for Heisenbergs usikkerhedsprincip og demonstrerer nye muligheder for at studere lokale vibrationstilstande på nanometerskala ned til individuelle enkeltlag.
Nyt elektron nanospektrometer som "bordplade" synkrotron
"Det direkte eksperimentelle bevis på den fulde rumlige og momentumopklarte kortlægning af lokale vibrationer af alle materialer, herunder endog monolags 2-D-materialer og nanoribbons, gør os i stand til fuldstændigt at adskille forskellige vibrationstilstande og deres momentumoverførsler ved ikke-perfekte strukturer som kanter eller fejl, som er ekstremt vigtige for at forstå og optimere et materiales lokale egenskaber, "forklarer en af de førende forfattere, Ryosuke Senga.
Denne undersøgelse af "High q-Mapping Of Vibrations" i elektronmikroskop åbner en ny vej for nanospektroskopi af alle materialer, der kombinerer rumlige og momentumopløste målinger. Dette har været den største udfordring med hensyn til kombinationen af mikroskopi og spektroskopi, da de rumlige og momentumopløsninger kompenseres på grund af grænsen for Heisenbergs usikkerhedsprincip. "Vi tror på, at vores metode vil øge omfattende forskning inden for materialevidenskab og vil skubbe højopløselig elektronspektroskopi i elektronmikroskopi til det næste niveau, skal betragtes som en ægte bordpladesynkrotron, ”siger Thomas Pichler fra universitetet i Wien.