Ultrahurtig elektronmikroskopi fører til afgørende opdagelse

Alle, der nogensinde har været i Grand Canyon, kan relatere til at have stærke følelser af at være tæt på en af ​​naturens kanter. Tilsvarende forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har opdaget, at nanopartikler af guld virker usædvanligt, når de er tæt på kanten af ​​et et-atom tykt ark kulstof, kaldet grafen. Dette kan få store konsekvenser for udviklingen af ​​nye sensorer og kvanteenheder.

Denne opdagelse blev gjort mulig med et nyligt etableret ultrahurtigt elektronmikroskop (UEM) ved Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science brugerfacilitet. UEM muliggør visualisering og undersøgelse af fænomener på nanoskala og på tidsrammer på mindre end en billiontedel af et sekund. Denne opdagelse kan gøre et sprøjt i det voksende område af plasmonics, som involverer lys, der rammer en materialeoverflade og udløser bølger af elektroner, kendt som plasmoniske felter.

Årevis, forskere har forfulgt udviklingen af ​​plasmoniske enheder med en bred vifte af applikationer - fra kvanteinformationsbehandling til optoelektronik (som kombinerer lysbaserede og elektroniske komponenter) til sensorer til biologiske og medicinske formål. For at gøre det, de kobler todimensionelle materialer med tykkelse på atomniveau, såsom grafen, med metalpartikler i nanostørrelse. Forståelse af den kombinerede plasmoniske opførsel af disse to forskellige typer materialer kræver at forstå præcis, hvordan de er koblet.

I en nylig undersøgelse fra Argonne, forskere brugte ultrahurtig elektronmikroskopi til at se direkte på koblingen mellem guldnanopartikler og grafen.

"Overfladeplasmoner er lys-inducerede elektronsvingninger på overfladen af ​​en nanopartikel eller ved en grænseflade mellem en nanopartikel og et andet materiale, " sagde Argonne nanoforsker Haihua Liu. "Når vi kaster lys på nanopartiklerne, det skaber et kortvarigt plasmonisk felt. De pulserende elektroner i vores UEM interagerer med dette kortvarige felt, når de to overlapper hinanden, og elektronerne enten vinder eller mister energi. Derefter, vi samler de elektroner, der får energi, ved hjælp af et energifilter til at kortlægge plasmoniske feltfordelinger omkring nanopartiklerne."

Ved at studere guldnanopartiklerne, Liu og hans kolleger opdagede et usædvanligt fænomen. Når nanopartiklerne sad på et fladt ark grafen, det plasmoniske felt var symmetrisk. Men da nanopartiklerne var placeret tæt på en grafenkant, det plasmoniske felt koncentrerede sig meget stærkere nær randområdet.

"Det er en bemærkelsesværdig ny måde at tænke på, hvordan vi kan manipulere ladning i form af et plasmonisk felt og andre fænomener ved hjælp af lys på nanoskala, " sagde Liu. "Med ultrahurtige funktioner, der er ingen at sige, hvad vi kan se, når vi justerer forskellige materialer og deres egenskaber."

Hele denne eksperimentelle proces, fra stimulering af nanopartikler til påvisning af det plasmoniske felt, sker på mindre end et par hundrede kvadrilliontedele af et sekund.

"CNM er enestående ved at huse en UEM, der er åben for brugeradgang og i stand til at tage målinger med nanometer rumlig opløsning og sub-picosecond tidsopløsning, " sagde CNM-direktør Ilke Arslan. "At have evnen til at tage målinger som denne på så kort et tidsvindue åbner op for undersøgelsen af ​​en bred vifte af nye fænomener i ikke-ligevægtstilstande, som vi ikke har haft mulighed for at undersøge før. Vi er glade for at kunne levere denne evne til det internationale brugersamfund."

Den opnåede forståelse med hensyn til koblingsmekanismen for dette nanopartikel-grafensystem burde være nøglen til den fremtidige udvikling af spændende nye plasmoniske enheder.

Et papir baseret på undersøgelsen, "Visualisering af plasmoniske koblinger ved hjælp af ultrahurtig elektronmikroskopi, " optrådte i 21. juni-udgaven af Nano bogstaver . Ud over Liu og Arslan, yderligere forfattere inkluderer Argonnes Thomas Gage, Richard Schaller og Stephen Gray. Prem Singh og Amit Jaiswal fra Indian Institute of Technology bidrog også, det samme gjorde Jau Tang fra Wuhan University og Sang Tae Park of IDES, Inc.