I takt med att intresset för förnybar energi och energieffektiva enheter fortsätter att växa, så har det vetenskapliga samfundets intresse av att upptäcka och designa nya material med önskvärda fysiska egenskaper som kan användas i solceller eller energilagringsenheter. Ett viktigt verktyg i detta arbete är High Resolution Electron Energy Loss Spectroscopy (HREELS), vilket innebär att ett material utsätts för en elektronstråle med känd rörelseenergi. Medan elektronerna tappar energi när de studsar av atomer i materialets yta, att energiförlust kan mätas och användas för att göra viktiga bestämningar om materialet.

"Fononer, kollektiva excitationer som styr atoms rörelse inom kristallgitteret hos ett fast ämne, är ett ämne av särskilt intresse för forskare eftersom de påverkar fysikaliska egenskaper såsom ett visst materials förmåga att leda elektricitet eller värme, "förklarade François C. Bocquet, en fysiker vid Forschungszentrum Jülich, ett vetenskapligt forskningscenter i Jülich, Tyskland. "Dessa egenskaper är viktiga eftersom de påverkar ett materials lämplighet för användning i olika applikationer."

"Utmaningen har varit att det kan vara mycket tidskrävande för ytforskare som använder HREELS att mäta fonons spridning eller nettoförlust av energi i alla vinklar. Fram tills nu har det var bara möjligt att mäta en vinkel och en förlust av energi åt gången, så det kan ta mer än en dag att mäta spridningen. Faktiskt, det kan ta så mycket som en vecka om du inte råkar välja lämplig rörelseenergi för elektronerna i den inkommande strålen eftersom detta påverkar fononernas intensitet och därmed hur lätt de kan mätas, Sa Bocquet.

För att ta itu med dessa problem, Bocquet och hans kollegor har anpassat ett instrument som används för HREELS med nya komponenter så att fonondispersionen av ett givet material kan mätas på några minuter. De beskriver sin enhet den här veckan i journalen Granskning av vetenskapliga instrument .

"Vår apparat har två huvudkomponenter som gör att vi kan förbättra mätningen av fonondispersion, "Bocquet sa, vars forskning också finansieras av initiativ- och nätverksfonden i Helmholtzföreningen. "Den första är en halvklotformad elektronanalysator, som har använts framgångsrikt i mer än ett decennium i vinkellöst fotoelektronspektroskopi. Den andra är en elektronkälla med hög energiupplösning som utvecklades i egen regi. Det kan optimeras med mjukvara som vi skapade så att elektronerna i den inkommande strålen har önskad rörelseenergi och är fokuserade på ett mycket litet område på provet som passar synfältet för den halvklotformiga elektronanalysatorn. "

Den förbättrade tidsramen för att bestämma fonondispersionen har den extra fördelen att tillåta ytforskare att ta itu med prover vars mätning var för besvärlig fram till nu.

"Ytforskare arbetar vanligtvis i vakuumförhållanden eftersom ytorna de studerar måste vara extremt rena och inte ha några föroreningar. Eftersom inget vakuum någonsin är perfekt, dock, de måste vanligtvis sluta mäta ett givet prov efter några timmar och förbereda det igen. Att minska tiden för att mäta spridningen innebär att det nu är möjligt att mäta prover som är svåra att förbereda och kortlivade, Sa Bocquet.

Bocquet och hans kollegor tänker använda sin enhet för att undersöka material relaterat till grafen, ett välkänt ämne som har väckt stort intresse bland forskare under det senaste decenniet. De är också ivriga att se vilka material andra ytforskare använder det för att studera.

"Det utvecklas så många intressanta nya material vars fysiska egenskaper skulle kunna förstås djupare om vi kunde mäta deras fonondispersion, "Bocquet sa." Denna information skulle hjälpa forskare och ingenjörer att avgöra materialens lämplighet för användning i nya enheter som hanterar pressande globala utmaningar. "