Indsamling af heliumdiffraktionsmønstre i mikroskopiske områder af prøver

Nylige videnskabelige fremskridt har åbnet nye muligheder for tæt observation af fysiske fænomener. Forskere ved University of Cambridge og University of Newcastle introducerede for nylig en ny metode til at måle heliumatomdiffraktion med mikroskopisk rumlig opløsning.

Denne metode, beskrevet i et papir i Physical Review Letters , giver fysikere mulighed for at studere elektronfølsomme materialer og bedre forstå deres morfologi ved hjælp af helium mikrodiffraktion.

"Det scannende heliummikroskop er blevet udviklet på tværs af flere forskningsgrupper i over et årti med fokus på at forbedre opløsningen af ​​instrumentet og studere teknologiske og biologiske prøver," fortalte Matthew Bergin, medforfatter af papiret, til Phys.org. "Men relativt lidt arbejde var blevet udført på at bruge materiebølgeaspektet af heliumstrålen til at studere ordnede overflader med et scannende heliummikroskop."

Den nylige undersøgelse foretaget af Bergin og hans kolleger bygger på en af ​​deres tidligere artikler offentliggjort i Scientific Reports i 2020. I dette tidligere arbejde observerede forskerne signaturen af ​​diffraktion fra en mikroskopisk plet på en prøve, men alligevel kunne de ikke direkte måle dets underliggende diffraktionsmønster.

I deres nye papir satte de sig for at fortsætte deres arbejde på dette område. Deres undersøgelses underliggende mål var at demonstrere, at en atombaseret stofbølge kunne bruges til at danne et diffraktionsmønster fra rumligt opløste områder af en overflade.

"På grund af atomernes partikel-bølge-dualitet kan en heliumstråle rettet mod et gitter opføre sig som en bølge og diffraktere fra den periodiske struktur," sagde Bergin. "Heliumatomer med termisk energi har så lav en energi (<100meV), at det opnåede diffraktionsmønster garanteres at være unikt følsomt over for overfladestrukturen.

"Heliumatomspredning er en veletableret teknik, der bruger positionen og intensiteten af ​​disse diffraktionstoppe til at studere en prøveoverflade, men indtil nu har disse undersøgelser været begrænset til homogene krystaller, der er mindst flere millimeter store."

I deres eksperimenter brugte Bergin og hans kolleger et scannende heliummikroskop, der bruger et nålehul til at kollimere en heliumstråle. Med dette mikroskop og en omhyggeligt designet strategi var de i stand til at indsamle diffraktionsmønstre fra et lille område (~10um) af en prøve, på trods af at de brugte en fast detektor.

"Ved omhyggelig kalibrering af instrumentet kan vi flytte prøvepositionerings- og rotationstrinene for at variere den udgående detektionsvinkel og prøveazimut, mens vi belyser det samme sted," forklarede Bergin. "Resultatet er, at vi kan bygge et udelukkende overfladefølsomt diffraktionsmønster ud fra det lille, oplyste område af prøven."

Det nylige arbejde fra dette forskerhold demonstrerer muligheden for at bruge atomer til at indsamle et diffraktionsmønster fra et mikroskopisk område på en prøves overflade. Deres foreslåede metode kunne bruges af andre fysikere til at studere diffraktionsmønstre og indsamle ny indsigt om materialer, der ikke kan undersøges præcist ved hjælp af konventionelle atomspredningsteknikker.

"De rumligt opløste egenskaber af instrumentet kombineret med den fremragende overfladefølsomhed giver os nu mulighed for at bruge atomspredning til at måle materialeegenskaberne af små prøver med interessante overfladeegenskaber, såsom flager af 2D-materialer," tilføjede Bergin.

"På University of Cambridge er arbejdet allerede begyndt med at anvende teknikken til at måle diffraktion fra flager af 2D-materialer. I mellemtiden er kolleger ved University of Newcastle ved at udvikle et nyt måletrin, der direkte kan flytte detektoren til at indsamle diffraktionsmønstre uden nogen kompleks kalibrering eller manipulation af prøven."

Flere oplysninger: Nick A. von Jeinsen et al., 2D Helium Atom Diffraction from a Microscopic Spot, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.236202

Journaloplysninger: Videnskabelige rapporter , Physical Review Letters

© 2024 Science X Network