Een nieuwe techniek voor het visualiseren van de snel veranderende elektronische structuren van materialen op atomaire schaal terwijl ze draaien, tuimelen en slepen door de nanowereld krijgt vorm bij het California Institute of Technology. Daar, onderzoekers hebben voor het eerst met succes twee bestaande methoden gecombineerd om de structurele dynamiek van een dunne film van grafiet te visualiseren.

Deze week beschreven in het tijdschrift Structural Dynamics, van AIP Publishing en de American Crystallographic Association, hun aanpak integreerde een zeer specifieke structurele analysetechniek die bekend staat als "core-loss spectroscopie" met een andere benadering die bekend staat als ultrasnelle vierdimensionale (4-D) elektronenmicroscopie - een techniek die is ontwikkeld door het Caltech-laboratorium, die wordt geleid door Nobelprijswinnaar Ahmed Zewail.

Bij kernverliesspectroscopie, de snelle sonde-elektronen kunnen selectief kernelektronen van een specifiek atoom in een materiaal exciteren (kernelektronen zijn de elektronen die het stevigst aan de atoomkern zijn gebonden). De hoeveelheid energie die de kernelektronen winnen geeft inzicht in de lokale elektronische structuur, maar de techniek is beperkt in de tijdresolutie die het kan bereiken - traditioneel te langzaam voor snelle katalytische reacties. 4-D-elektronenmicroscopie onthult ook de structurele dynamiek van materialen in de loop van de tijd door korte pulsen van hoogenergetische elektronen te gebruiken om monsters te onderzoeken, en het is ontworpen voor ultrasnelle tijdresolutie.

Door deze twee technieken te combineren, kon het team lokale veranderingen in de elektronische structuur in de loop van de tijd nauwkeurig volgen met ultrasnelle tijdresolutie.

"In dit werk, we demonstreren voor het eerst dat we diepe kernelektronen kunnen onderzoeken met vrij hoge bindingsenergieën van meer dan 100 eV, zei Renske van der Veen, een van de auteurs van de nieuwe studie. "We zijn uitgerust met een ultrasnelle sondeertool die kan onderzoeken, bijvoorbeeld, de relaxatieprocessen in fotokatalytische nanodeeltjes, foto-geïnduceerde faseovergangen in materialen op nanoschaal of de dynamiek van de ladingsoverdracht op grensvlakken."

Twee technieken combineren op één werkblad

Het integreren van de twee technieken bleek een uitdaging. Omdat elektronen elkaar afstoten, er zijn maar zoveel elektronen die in één puls kunnen worden verpakt. Naarmate u elke puls verkort om de tijdresolutie te verhogen, elke puls bevat dan minder elektronen, en de kans op interactie tussen de sondeerelektronen en de kernelektronen neemt af. Vooral bij de hoge energieniveaus die nodig zijn om de diepe kernelektronen te exciteren (1e en 2e elektronenschil), "het signaal van veel elektronenpakketten moet gedurende een lange tijd worden geïntegreerd, ", legt Van der Veen uit.

De onderzoekers testten hun techniek op dunne grafietfilms, aantonen dat laserexcitatie ervoor zorgt dat de koolstof-koolstofbindingen in het vlak in de structuur uitzetten en de π-π* energiekloof krimpen op de picoseconde (een biljoenste van een seconde) tijdschaal.

Kernverliesspectroscopie is in sommige opzichten vergelijkbaar met röntgenabsorptiespectroscopie, maar het heeft een paar cruciale voordelen. "Met behulp van röntgenstralen, de studie van individuele nano-objecten en de in situ beeldvorming op atomaire schaal van materialen blijft behoorlijk uitdagend. In dit opzicht, ultrasnelle kernverliesspectroscopie in elektronenmicroscopie biedt een enorm voordeel. In beeld brengen, diffractie en spectroscopie worden allemaal gecombineerd binnen dezelfde tafelopstelling; aanvullende informatie over hetzelfde monster gemakkelijk kan worden verkregen, zei Van der Veen.

Het vermogen om de ultrasnelle dynamiek van individuele atomen te visualiseren heeft brede toepassingen in wetenschappelijke disciplines, van materiaalkunde tot biologie. De onderzoekers hopen dat toekomstige ontwikkelingen in "gepulseerde elektronenbronnen en detectiemethoden" het mogelijk zullen maken dat hun techniek wordt gebruikt in meer geavanceerde experimenten.