Naarmate de belangstelling voor hernieuwbare energie en energiezuinige apparaten blijft groeien, dat geldt ook voor het belang van de wetenschappelijke gemeenschap bij het ontdekken en ontwerpen van nieuwe materialen met gewenste fysieke eigenschappen die kunnen worden gebruikt in zonnecellen of energieopslagapparaten. Een belangrijk hulpmiddel in dit werk is High Resolution Electron Energy Loss Spectroscopie (HREELS), waarbij een materiaal wordt blootgesteld aan een bundel elektronen met bekende kinetische energie. Terwijl de elektronen energie verliezen wanneer ze terugkaatsen op atomen in het oppervlak van het materiaal, dat energieverlies kan worden gemeten en gebruikt om belangrijke bepalingen over het materiaal te maken.

"fononen, collectieve excitaties die de beweging van atomen in het kristalrooster van een vaste stof beheersen, zijn een onderwerp van bijzonder belang voor wetenschappers omdat ze fysieke eigenschappen beïnvloeden, zoals het vermogen van een bepaald materiaal om elektriciteit of warmte te geleiden, " verklaarde François C. Bocquet, een natuurkundige aan het Forschungszentrum Jülich, een wetenschappelijk onderzoekscentrum in Jülich, Duitsland. "Deze eigenschappen zijn belangrijk omdat ze van invloed zijn op de geschiktheid van een materiaal voor gebruik in verschillende toepassingen."

"De uitdaging was dat het voor oppervlaktewetenschappers erg tijdrovend kan zijn om HREELS te gebruiken om de dispersie van fononen of het netto energieverlies onder alle hoeken te meten. Tot nu toe, het was slechts mogelijk om één hoek en één energieverlies tegelijk te meten, dus het kan meer dan een dag duren om de dispersie te meten. In feite, het kan wel een week duren als je niet de juiste kinetische energie kiest voor de elektronen in de inkomende bundel, omdat dit de intensiteit van de fononen beïnvloedt en dus het gemak waarmee ze kunnen worden gemeten, ' zei Bocquet.

Om deze problemen aan te pakken, Bocquet en zijn collega's hebben een instrument voor HREELS aangepast met nieuwe componenten, zodat de fonon-dispersie van een bepaald materiaal in enkele minuten kan worden gemeten. Ze beschrijven hun apparaat deze week in het journaal Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten .

"Ons apparaat heeft twee belangrijke componenten waarmee we de meting van fonon-dispersie kunnen verbeteren, "Bocket zei, wiens onderzoek ook wordt gefinancierd door het Initiative and Networking Fund van de Helmholtz Association. "De eerste is een halfronde elektronenanalysator, die al meer dan een decennium met succes wordt gebruikt in Angular-Resolved Photoelectron Spectroscopy. De tweede is een elektronenbron met hoge energieresolutie die in eigen huis is ontwikkeld. Het kan worden geoptimaliseerd met software die we hebben gemaakt, zodat elektronen van de inkomende straal de gewenste kinetische energie hebben en worden gefocust op een zeer klein gebied op het monster dat past in het gezichtsveld van de halfronde elektronenanalysator."

Het verbeterde tijdsbestek voor het bepalen van fonon-dispersie heeft als bijkomend voordeel dat oppervlaktewetenschappers monsters kunnen aanpakken waarvan de meting tot nu toe te omslachtig was.

"Oppervlaktewetenschappers werken doorgaans in vacuümomstandigheden omdat de oppervlakken die ze bestuderen extreem schoon moeten zijn en geen verontreinigingen bevatten. Aangezien geen enkel vacuüm ooit perfect is, echter, ze moeten meestal na een paar uur stoppen met het meten van een bepaald monster en het opnieuw voorbereiden. Door de tijd voor het meten van dispersie te verkorten, is het nu mogelijk om monsters te meten die moeilijk te bereiden en van korte duur zijn, ' zei Bocquet.

Bocquet en zijn collega's zijn van plan hun apparaat te gebruiken om materialen gerelateerd aan grafeen te onderzoeken, een bekende stof die de afgelopen tien jaar veel belangstelling heeft gewekt bij wetenschappers. Ze willen ook graag zien welke materialen andere oppervlaktewetenschappers gebruiken om te bestuderen.

"Er worden zoveel interessante nieuwe materialen ontwikkeld waarvan de fysieke eigenschappen beter zouden kunnen worden begrepen als we hun fonon-dispersie zouden kunnen meten, Bocquet zei. "Deze informatie zou wetenschappers en ingenieurs helpen om de geschiktheid van deze materialen te bepalen voor gebruik in nieuwe apparaten die dringende wereldwijde uitdagingen aanpakken."