Wetenschappers kunnen nu dieper in nieuwe materialen kijken om hun structuur en gedrag te bestuderen, dankzij het werk van een internationale groep onderzoekers onder leiding van UC Davis en het Lawrence Berkeley National Laboratory en gepubliceerd op 14 augustus door het tijdschrift Natuur materialen.

De techniek zal een meer gedetailleerde studie mogelijk maken van nieuwe soorten materialen voor gebruik in elektronica, energie productie, scheikunde en andere toepassingen.

De techniek, zogenaamde hoek-opgeloste foto-emissie, wordt sinds de jaren 70 gebruikt om materialen te bestuderen, vooral eigenschappen zoals halfgeleidbaarheid, supergeleiding en magnetisme. Maar de techniek maakt het mogelijk om te sonderen tot een diepte van slechts ongeveer een nanometer onder het oppervlak van een materiaal, een limiet opgelegd door de sterke inelastische verstrooiing van de uitgezonden elektronen.

Het baanbrekende werk van het UC Davis/LBNL-team maakte gebruik van de röntgenbron met hoge intensiteit die wordt beheerd door het Japanse National Institute for Materials Sciences in de SPring8-synchrotronstralingsfaciliteit in Hyogo, Japan, en stelden onderzoekers in staat om veel dieper in een materiaal te kijken, het verstrekken van meer informatie en het verminderen van oppervlakte-effecten.

"We kunnen dit nu naar veel hogere energieën brengen dan eerder werd gedacht, " zei Chuck Fadley, hoogleraar natuurkunde aan UC Davis en het Lawrence Berkeley Lab, wie is senior auteur van het artikel.

De techniek is gebaseerd op het foto-elektrisch effect beschreven door Einstein in 1905:Wanneer een foton in een materiaal wordt geschoten, het slaat een elektron uit. Door de hoek te meten, energie en misschien de spin van de uitgestoten elektronen, wetenschappers kunnen in detail leren over elektronenbeweging en binding in het materiaal.

Eerder, de techniek gebruikte energieën van ongeveer 10 tot 150 elektronvolt. Werken bij de Japanse faciliteit, Fadley en zijn collega's wisten dat op te voeren tot 6, 000 elektron-volt - energieën die de sonderingsdiepte tot 20-voudig vergrootten.

Dankzij recente ontwikkelingen in de elektronenoptica, het team was ook in staat om nauwkeurige informatie te verzamelen met behulp van speciaal ontworpen spectrometers - in feite camera's voor elektronen.

De spectrometer is een soort pinhole-camera, merkte Fadley op. Het is gemakkelijk om een ​​scherp beeld te krijgen met een pinhole-camera door de ingangsopening klein te houden. Zet deze opening open en er komt veel meer licht binnen, maar een duidelijk beeld wordt moeilijker te extraheren. Maar nieuwe ontwikkelingen in de elektronenoptica, vooral in Zweden, hebben het mogelijk gemaakt om voldoende elektronen te detecteren om dergelijke experimenten uit te voeren.

Er zijn nu verschillende krachtige röntgenbronnen in gebruik of in aanbouw in Europa en Azië, hoewel er nog geen gepland is in de VS, zei Fadley. De nieuwe techniek kan zowel worden gebruikt voor fundamenteel als commercieel onderzoek naar nieuwe materialen voor elektronica en technologie.

Fadley merkte op dat hij rond 1980 voor het eerst het idee had voorgesteld om een ​​röntgenbron met hoge intensiteit te gebruiken om dieper onder het oppervlak van materialen te kijken, maar noch de röntgenbronnen, noch de spectrometers bestonden om het experiment mogelijk te maken.