Femtosecondelasers kunnen worden geïntegreerd met elektronenmicroscopen om tijdelijke structuren en morfologieën in materialen in realtime en in de ruimte direct in beeld te brengen. In een nieuw rapport Xuewen Fu en een team van wetenschappers in de fysica van de gecondenseerde materie, microsystemen, nanotechnologie en materiaalwetenschap in China en de VS hebben een laservrije ultrasnelle elektronenmicroscoop (UEM) ontwikkeld die vergelijkbaar potentieel biedt, maar zonder de vereiste femtoseconde lasers of uitgebreide instrumentele modificaties. Het team creëerde picoseconde-elektronenpulsen om dynamische gebeurtenissen te onderzoeken door een continue straal te hakken met een radiofrequentie (RF)-gestuurde pulser met een pulsherhalingsfrequentie die kan worden aangepast van 100 MHz tot 12 GHz. Ze bestudeerden gigahertz elektromagnetische golfvoortplantingsdynamica als een toepassing voor de eerste keer in dit werk en onthulden het voorbijgaande oscillerende elektromagnetische veld op nanometerruimte en picoseconde tijdschalen met in de tijd opgeloste polarisatie, amplitude en lokale veldverbetering. De studie toonde het gebruik van laservrije, ultrasnelle elektronenmicroscopie (UEM) in real-space visualisatie voor multidisciplinair onderzoek, met name in elektrodynamische apparaten die verband houden met informatieverwerkingstechnologie. Het onderzoekswerk is nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Moderne elektronenmicroscopie en laservrije ultrasnelle elektronenmicroscopie

Met moderne elektronenmicroscopie kunnen onderzoekers beelden van materie verkrijgen met atomaire resolutie vanwege de picometergolflengte van de hoogenergetische elektronenstralen, vooruitgang in aberratiecorrectie en directe detectietechnieken. De methode is een centraal hulpmiddel voor materiaalwetenschap tot biologie, samen met de voortschrijdende vooruitgang in elektronenkristallografie, tomografie en cryo-single-particle imaging. conventioneel, de elektronenbundel van een microscoop wordt geproduceerd door een thermionisch of veldemissieproces en dergelijke elektronenbronnen produceren statische beelden of beelden die met lange tijdsintervallen worden vastgelegd vanwege de inherente beperkingen van conventionele elektronendetectoren. Geavanceerde elektronenmicroscopen vereisen daarom een ​​sterke of grotere temporele resolutie om reactiepaden in fysische en chemische overgangen buiten de detectorlimieten te onderzoeken. In dit werk, Fu et al. laservrij ontwikkeld, ultrasnelle elektronenmicroscopie door een prototype RF-aangedreven elektronenstraalpulsgever te combineren om korte elektronenpulsen te creëren met een instelbare herhalingssnelheid van 100 MHz tot 12 GHz. Met deze methode kunnen onderzoekers ultrasnelle beelden opnemen en verschillende patronen van structurele overgangen detecteren.

Met behulp van de methode, het onderzoeksteam optimaliseerde het ingangsradiofrequentie (RF) vermogen en de frequentie voor de pulser om een ​​tijdresolutie van 10 picoseconden (ps) in het instrument te bereiken en gebruikte hetzelfde breedband afstembare RF-signaal om de excitatie van het monster te vergemakkelijken. Tijdens de eerste demonstraties van zijn vermogen om ultrasnelle dynamiek te bestuderen, Fu et al. voerde een pomp-sonde-onderzoek uit naar de dynamiek van de voortplanting van elektromagnetische golven in een microstrip-exemplaar met twee in elkaar grijpende kammen - een basisbouwsteen van radiofrequente micro-elektromechanische systemen (MEMS). Door experimentele resultaten te combineren met numerieke simulaties, het team toonde de elektrodynamica van een gigahertz elektromagnetische (EM) golfvoortplanting in het microstrip-exemplaar. Dit fenomeen kan fundamenteel bijdragen aan de functionaliteit van de meeste informatieverwerkingsapparaten en andere beeldvormingstechnieken die momenteel ontoegankelijk blijven voor beeldvorming vanwege beperkingen in de grootte.

Conceptueel ontwerp - nieuw prototype

In de laservrije UEM (ultrasnelle elektronenmicroscoop) is het RF-aangedreven pulsersysteem gekoppeld aan een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM). De pulser bevatte twee metalen kamstriplijnelementen met een lopende golf met een kleine hakopening ertussen. Toen de pulser werd aangedreven door een radiofrequentiesignaal, het team registreerde de generatie van een sinusoïdale elektromagnetische golf (EM) in de modulator, terwijl een oscillerende transversale momentumkick wordt geïntroduceerd in de inkomende continue elektronenstraal. De snijopening van het systeem verdeelde de continue bundel in periodieke elektronenpulsen. Met behulp van het huidige ontwerp, ze hebben een breedband EM-veld tot stand gebracht met een frequentie van 50 MHz tot 6 GHz. De wetenschappers testten de prestaties van de TEM na integratie van de pulser om een ​​reeks beeldvormings- en diffractieresultaten vast te leggen onder een continue bundelmodus en gepulseerde bundelmodus. Het team onderzocht helderveldbeelden van gouden nanodeeltjes in beide modi die vergelijkbaar waren in zowel intensiteitsprofiel als contrast. Een vergelijkbare beeldkwaliteit tussen de pulserende straalmodus en de continue straalmodus toonde goede prestaties en veelzijdigheid van het nieuwe laservrije UEM-prototype.

De resolutie van de laservrije UEM was afhankelijk van de duur van de gehakte elektronenpulsen, die op zijn beurt afhing van de werkcyclus van de afgesneden elektronenbundel. Fu et al. varieerde deze parameter door onafhankelijk de ingangsfrequentie van het RF-vermogen en/of de grootte van de hakopening te wijzigen. In principe, ze zouden een hoger ingangs-RF-vermogen en een hogere RF-frequentie kunnen gebruiken met een kleinere hakopening om kortere, evenals sub-picoseconde of femtoseconde elektronenpulsen om de kwaliteit en resolutie van beeldvorming verder te verbeteren. Het team demonstreerde vervolgens het ultrasnelle meetvermogen van de pompsonde van de laservrije UEM om de oscillerende stromen en velden te begrijpen die nodig zijn om bijna elk informatieverwerkingsapparaat te bedienen. Fu et al. merkte voor het eerst tijdsopgeloste beelden van EM-voortplanting in de interdigitale kamstructuur op bij een vergroting van 1200x, met een integrale tijd van 1,5 seconde. Vervolgens bestudeerden ze de afhankelijkheid van de voortplantingsdynamiek van EM-golven van het excitatievermogen, waarbij de amplitude toenam met toenemend excitatievermogen.

Gesimuleerde elektrische veldverdeling

Om de experimenten beter te begrijpen, Fu et al. numerieke simulaties van EM-golfvoortplanting uitgevoerd in een microstrip van twee in elkaar grijpende kammen met vergelijkbare geometrie en materialen als de experimenten, en voerde de simulatie uit met behulp van een 3D EM eindige-elementenanalysepakket. Het team observeerde snapshots van de gesimuleerde elektrische veldverdeling rond de interdigitale kammen op verschillende vertragingstijden. Omdat het monster niet-magnetisch is, de effecten van magnetische velden waren verwaarloosbaar in het experiment. Terwijl de EM-golf zich voortplantte door de in elkaar grijpende kammen die werden onderzocht, een tijdelijk oscillerend elektrisch veld dat tot stand is gebracht tussen de openingen van de in elkaar grijpende kammen. De gesimuleerde resultaten kwamen goed overeen met de experimenten.

Op deze manier, Xuewen Fu en collega's ontwierpen een laservrije ultrasnelle elektronenmicroscoop (UEM) met een hoge resolutie in ruimte-tijd, door een radiofrequentie (RF)-gestuurde pulser te combineren met een commerciële transmissie-elektronenmicroscoop (TEM). Met behulp van de laservrije UEM, Fu et al. bestudeerde het gigahertz elektromagnetische (EM) golflengtevoortplantingsproces in een microstrip met twee in elkaar grijpende kammen. Het team toonde directe visualisatie van EM-veldoscillatie met de tijd om veldamplitude te onthullen, polarisatierichting en golfvoortplanting op de nanometer-picoseconde tijdschaal, die tot nu toe ontoegankelijk was met andere beeldvormingstechnieken. De laservrije UEM biedt een krachtig pad om de elektrodynamica te begrijpen in kleine apparaten die functioneren over megahertz- tot gigahertz-frequenties, zoals draadloze antennes, sensoren en RF micro-elektromechanische systemen (MEMS). Verdere optimalisatie maakt sub-picoseconde en zelfs femtoseconde golfpakketten mogelijk om femtoseconde tijdresolutie mogelijk te maken voor laservrije UEM. Het werk zal brede implicaties hebben op het gebied van materiaalfysica tot biologie en mobiele communicatietechnologieën.

© 2020 Wetenschap X Netwerk