Om geavanceerde materialen zoals grafeen-nanostructuren te begrijpen en te optimaliseren voor apparaten in nano-, opto- en kwantumtechnologie is het cruciaal om te begrijpen hoe fononen - de vibratie van atomen in vaste stoffen - de eigenschappen van materialen beïnvloeden. Onderzoekers van de Universiteit van Wenen, het Advanced Institute of Science and Technology in Japan, het bedrijf JEOL en de La Sapienza Universiteit in Rome hebben een methode ontwikkeld waarmee alle fononen in een nanogestructureerd materiaal kunnen worden gemeten. Dit is een doorbraak in de analyse van functionele materialen en apparaten op nanoschaal. Met dit pilot-experiment met grafeen-nanostructuren hebben deze onderzoekers het unieke karakter van hun aanpak aangetoond, die zal worden gepubliceerd in het laatste nummer van Natuur .

belangrijke thermische, mechanisch, opto-elektronische en transporteigenschappen van materialen worden bepaald door fononen:de zich voortplantende atomaire trillingsgolven. Het is dan ook af te leiden dat de bepaling van dergelijke uitgebreide atomaire trillingen cruciaal is voor de optimalisatie van nano-elektronische apparaten. De huidige beschikbare technieken gebruiken zowel optische methoden als inelastische elektronen-, Röntgen- en neutronenverstrooiing. Ondanks het wetenschappelijke belang ervan in de afgelopen tien jaar, geen van deze methoden is in staat geweest om alle fononen van een vrijstaande monolaag van tweedimensionale (2-D) materialen zoals grafeen en hun lokale variaties binnen een grafeen nanoribbon te bepalen, die op hun beurt worden gebruikt als actieve elementen in nano- en opto-elektronica.

De nieuwe grenzen van nanospectroscopie

Een internationaal onderzoeksteam van vooraanstaande experts op het gebied van elektronenspectroscopie onder leiding van Thomas Pichler van de Universiteit van Wenen, theoretische spectroscopie onder leiding van Francesco Mauri aan de La Sapienza Universiteit in Rome en elektronenmicroscopie onder leiding van Kazu Suenaga aan de AIST Tsukuba in Japan, hebben samen met het Japanse bedrijf JEOL een originele methode gepresenteerd die het op grafeen-nanostructuren als model toepast:"hoge resolutie elektronenspectroscopie in een elektronenmicroscoop met voldoende gevoeligheid om zelfs een atomaire monolaag te meten." Op deze manier konden ze voor het eerst alle trillingsmodi van vrijstaand grafeen bepalen, evenals de lokale uitbreiding van verschillende trillingsmodi in een grafeen nanoribbon. Deze nieuwe methode, die zij "grote q-mapping" noemden, opent geheel nieuwe mogelijkheden om de ruimtelijke en impulsuitbreiding van fononen in alle nanogestructureerde en tweedimensionale geavanceerde materialen te bepalen. Deze experimenten verleggen de grenzen van nanospectroscopie en naderen de grenzen van het onzekerheidsprincipe van Heisenberg en demonstreren nieuwe mogelijkheden om lokale trillingsmodi op nanometerschaal te bestuderen tot aan individuele monolagen.

Nieuwe elektronen nanospectrometer als "tafelblad" synchrotron

"Het directe experimentele bewijs van de volledige ruimtelijke en momentum opgeloste mapping van lokale trillingen van alle materialen, inclusief zelfs monolaag 2-D materialen en nanolinten, zal ons in staat stellen om verschillende vibratiemodi en hun momentumoverdrachten volledig te ontwarren bij niet-perfecte structuren zoals randen of gebreken, die uiterst belangrijk zijn om de lokale eigenschappen van een materiaal te begrijpen en te optimaliseren, " legt een van de toonaangevende auteurs uit, Ryosuke Senga.

Deze studie van "High q-Mapping Of Vibrations" in de elektronenmicroscoop opent een nieuwe weg van nanospectroscopie van alle materialen door ruimtelijke en momentum-opgeloste metingen te combineren. Dit was de grootste uitdaging met betrekking tot de combinatie van microscopie en spectroscopie, omdat de ruimtelijke en impulsresoluties worden gecompenseerd vanwege de limiet van het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. "We zijn van mening dat onze methodologie enorm veel onderzoek in materiaalwetenschap zal stimuleren en elektronenspectroscopie met hoge resolutie in elektronenmicroscopie naar een hoger niveau zal tillen, te beschouwen als een echte tafelsynchrotron, ", zegt Thomas Pichler van de Universiteit van Wenen.