Gestapelde lagen grafeen kunnen fungeren als een spiegel voor elektronenbundels. Dat ontdekten natuurkundigen Daniël Geelen en collega's met een nieuw type elektronenmicroscoop. In een artikel in Physical Review Letters, ze beschrijven hun resultaten, wat zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van optica voor elektronenstralen in plaats van licht.

Geelen en collega's noemden de nieuwe techniek "eV-TEM". Het is een nieuwe variant van de elektronenmicroscoop, die elektronenbundels op een monster richt om het in beeld te brengen.

Lage energie elektronen

Volgens de kwantummechanica, elektronen zijn golven, net zoals zichtbaar licht is, maar de golflengte is veel korter. Daarom, veel kleinere details kunnen worden afgebeeld in vergelijking met een lichtmicroscoop. Echter, de aanval van elektronen beschadigt over het algemeen het monster op de lange termijn.

Dit is een van de redenen dat Daniël Geelen, Johannes Jobst, Sense Jan van der Molen en Rudolf Tromp gebruiken langzame elektronen, met lage energieën van enkele elektronvolts (eV, vandaar 'eV-TEM') in plaats van de gebruikelijke tien- of honderdduizenden elektronenvolt.

Elektronen in grafeen

Sinds 2010, de groep runt een LEEM (lage energie elektronenmicroscoop) ontwikkeld door Tromp bij IBM, die de gereflecteerde elektronen afbeeldt. Geelen heeft het apparaat verbeterd met een mogelijkheid om de elektronen die door het monster gaan in beeld te brengen, de transmissie." Dit verandert het apparaat in een transmissie-elektronenmicroscoop (eV-TEM).

Het eerste onderzochte materiaal is grafeen, de verscheidenheid aan koolstof in een flat, tweedimensionaal hexagonaal moleculair patroon dat lijkt op kippengaas. De onderzoekers vuurden langzame elektronen af ​​op enkele, dubbele en driedubbele lagen grafeen, en de uitzending in beeld gebracht.

"Er is veel onderzoek gedaan naar hoe elektronen zich gedragen binnen grafeenlagen, maar veel minder in hoe ze over lagen bewegen, ’ zegt Sense Jan van der Molen.

Theorie testen

Een theoretisch model uit de jaren zeventig voorspelt dat langzame elektronen gemakkelijk door dunne lagen kunnen gaan, omdat ze nauwelijks zullen interageren met de elektronen in die lagen. Vervolgens, wanneer de energie en snelheid van de elektronen wordt verhoogd, het aantal interacties zal naar verwachting toenemen, waardoor er steeds minder elektronen door het monster zouden gaan. Deze 'universele curve' zou moeten houden, ongeacht het exacte materiaal van het monster.

De Leidse natuurkundigen echter, iets heel anders opgemerkt. Bij specifieke elektronenenergieën, ze meten scherpe dalingen in de transmissie, die overeenkomen met pieken in de reflectie. "Voor elektronen met bepaalde energieën, het grafeen werkt als een spiegel, ’, zegt Van der Molen.

Grafeen spiegelen

In het artikel, de onderzoekers geven een verklaring:elektronen zijn golven. Bij bepaalde golflengten de golven die door afzonderlijke grafeenlagen worden weerkaatst, versterken elkaar. Door deze 'constructieve interferentie' fungeert de stapel grafeenlagen als een spiegel voor elektronen.

Een soortgelijk effect is zichtbaar in de groenachtige of paarsachtige tint van een antireflectiecoating op een bril of verrekijker. Ook zij bestaan ​​uit lagen, die constructieve interferentie veroorzaken voor groen of paars licht.

De golflengteafhankelijke spiegeling bewijst dat dunne monsters niet zo voorspelbaar en onafhankelijk van het exacte materiaal werken als verwacht, zegt Johannes Jobst. "Deze resultaten zijn sterk afhankelijk van de elektronenstructuur van het materiaal, en op de elektronenenergie."

Aanvullend, het onderzoek suggereert de mogelijkheid om gelaagd grafeen te gebruiken als spiegels voor elektronenstralen. "Misschien is het mogelijk om ze te gebruiken als bundelsplitsers, ' zegt Tromp.

Dunne lagen minder voorspellend

Dergelijke bundelsplitsers, die een enkele inkomende bundel splitst in twee afzonderlijke bundels, zijn veelgebruikte standaardapparaten in de lichtoptiek, maar die bestaan ​​nog niet voor elektronenstralen. Dunne lagen grafeen zouden deze leemte misschien kunnen opvullen. Maar eerst, de onderzoekers willen graag andere materialen in beeld brengen. Van der Molen:"Dit maakt fundamenteel nieuw onderzoek mogelijk, in gelaagde materialen, en ook in gevoelige biomoleculen die zouden worden beschadigd in een gewone elektronenmicroscoop."