Femtosekundlasrar kan integreras med elektronmikroskop för att direkt avbilda transienta strukturer och morfologier i material i realtid och rum. I en ny rapport, Xuewen Fu och ett team av forskare inom den kondenserade materiens fysik, mikrosystem, nanoteknik och materialvetenskap i Kina och USA utvecklade ett laserfritt ultrasnabbt elektronmikroskop (UEM) som erbjuder liknande potential men utan de erforderliga femtosekundslasrarna eller komplicerade instrumentella modifieringar. Teamet skapade pikosekundelektronpulser för att undersöka dynamiska händelser genom att kapa en kontinuerlig stråle med en radiofrekvensdriven (RF) pulser med en pulsrepetitionsfrekvens avstämbar från 100 MHz till 12 GHz. De studerade gigahertz elektromagnetisk vågutbredningsdynamik som en applikation för första gången i detta arbete och avslöjade det transienta oscillerande elektromagnetiska fältet på nanometerrymden och pikosekunders tidsskalor med tidsupplöst polarisation, amplitud och lokal fältförbättring. Studien visade användningen av laserfri, ultrasnabb elektronmikroskopi (UEM) i real-space visualisering för multidisciplinär forskning - specifikt i elektrodynamiska enheter associerade med informationsbehandlingsteknologi. Forskningsarbetet är nu publicerat i Vetenskapens framsteg .

Modern elektronmikroskopi och laserfri ultrasnabb elektronmikroskopi

Modern elektronmikroskopi kan göra det möjligt för forskare att få bilder av materia med atomupplösning på grund av pikometervåglängden hos högenergielektronstrålarna, framsteg inom tekniker för aberrationskorrigering och direktdetektering. Metoden är ett centralt verktyg över materialvetenskap till biologi, tillsammans med progressiva framsteg inom elektronkristallografi, tomografi och kryo-enkelpartikelavbildning. Konventionellt, elektronstrålen i ett mikroskop produceras av en termionisk eller fältemissionsprocess och sådana elektronkällor producerar statiska bilder eller de som fångas med långa tidsintervall på grund av inneboende gränser för konventionella elektrondetektorer. Avancerade elektronmikroskop kräver därför en stark eller högre tidsupplösning för att undersöka reaktionsvägar i fysikaliska och kemiska övergångar bortom detektorgränserna. I det här arbetet, Fu et al. utvecklad laserfri, ultrasnabb elektronmikroskopi genom att kombinera en prototyp RF-driven elektronstrålepulsare för att skapa korta elektronpulser med en avstämbar repetitionshastighet som sträcker sig från 100 MHz till 12 GHz. Denna metod kommer att tillåta forskare att spela in ultrasnabba bilder och upptäcka olika mönster av strukturella övergångar.

Med hjälp av metoden, forskargruppen optimerade den ingående radiofrekvensen (RF) kraften och frekvensen för pulsern för att uppnå en tidsupplösning på 10 pikosekunder (ps) i instrumentet och använde samma bredbandsavstämbara RF-signal för att underlätta provexcitering. Under de första demonstrationerna av dess förmåga att studera ultrasnabb dynamik, Fu et al. genomförde en pump-sondstudie på elektromagnetisk vågutbredningsdynamik i ett mikrostripprov med två sammankopplade kammar - en grundläggande byggsten i radiofrekvensmikroelektromekaniska system (MEMS). Genom att kombinera experimentella resultat med numeriska simuleringar, teamet visade elektrodynamiken för en gigahertz elektromagnetisk (EM) vågutbredning i mikrostripprovet. Detta fenomen kan i grunden bidra till funktionaliteten hos de flesta informationsbehandlingsanordningar och andra avbildningstekniker som för närvarande förblir otillgängliga för avbildning på grund av storleksförträngningar.

Konceptuell design – ny prototyp

I det laserfria UEM (ultrasnabbt elektronmikroskop) ansluter det RF-drivna pulsersystemet till ett transmissionselektronmikroskop (TEM). Pulsern innehöll två metalliska kamstriplineelement med vandringsvåg med en liten skäröppning mellan dem. När pulsern drevs av en radiofrekvenssignal, laget registrerade genereringen av en sinusformad elektromagnetisk våg (EM) i modulatorn, samtidigt som en oscillerande transversell impulskick introduceras till den inkommande kontinuerliga elektronstrålen. Systemets hacköppning delade upp den kontinuerliga strålen i periodiska elektronpulser. Med nuvarande design, de etablerade ett bredbands EM-fält med en frekvens från 50 MHz till 6 GHz. Forskarna testade prestandan hos TEM efter att ha integrerat pulsaren för att registrera en uppsättning avbildnings- och diffraktionsresultat under ett kontinuerligt strålläge och ett pulserat strålläge. Teamet undersökte ljusfältsbilder av guldnanopartiklar i båda lägena som var jämförbara i både intensitetsprofil och kontrast. Jämförbar bildkvalitet mellan pulserande strålläge och kontinuerligt strålläge visade god prestanda och mångsidighet hos den nya laserfria UEM-prototypen.

Upplösningen för den laserfria UEM berodde på varaktigheten av de hackade elektronpulserna, vilket i sin tur berodde på arbetscykeln för den hackade elektronstrålen. Fu et al. varierade denna parameter genom att oberoende ändra den ingående RF-effektfrekvensen och/eller skärningsöppningens storlek. I princip, de skulle kunna använda högre ingående RF-effekt och en högre RF-frekvens med en mindre hacköppning för att uppnå kortare, samt sub-picosecond eller femtosekund elektronpulser för att ytterligare förbättra kvaliteten och upplösningen av avbildning. Teamet demonstrerade sedan den ultrasnabba pumpsondsmätkapaciteten hos den laserfria UEM:n för att förstå de oscillerande strömmar och fält som behövs för att driva nästan vilken informationsbehandlingsenhet som helst. Fu et al. noterade tidsupplösta bilder av EM-utbredning i den interdigiterade kamstrukturen för första gången vid en förstoring av 1200x, med en inbyggd tid på 1,5 sekunder. De studerade sedan beroendet av EM-vågutbredningsdynamiken på excitationskraften, där amplituden ökade med ökande excitationseffekt.

Simulerad elektrisk fältfördelning

För att ytterligare förstå experimenten, Fu et al. utförde numeriska simuleringar av EM-vågutbredning i en mikrostrip av två sammankopplade kammar med liknande geometri och material som experimenten, och genomförde simuleringen med ett 3-D EM-finita elementanalyspaket. Teamet observerade ögonblicksbilder av den simulerade elektriska fältfördelningen runt de interdigiterade kammarna vid olika fördröjningstider. Eftersom provet är omagnetiskt, effekterna av magnetfält var försumbara i experimentet. När EM-vågen fortplantade sig genom de sammanflätade kammarna som undersöks, ett temporalt oscillerande elektriskt fält etablerat mellan mellanrummen i de interdigiterade kammarna. De simulerade resultaten stämde väl överens med experimenten.

På det här sättet, Xuewen Fu och kollegor konstruerade ett laserfritt ultrasnabbt elektronmikroskop (UEM) med hög upplösning i rum-tid, genom att kombinera en radiofrekvens (RF)-driven pulser med ett kommersiellt transmissionselektronmikroskop (TEM). Genom att använda den laserfria UEM, Fu et al. studerade gigahertz elektromagnetiska (EM) våglängdsutbredningsprocessen i en mikroremsa innehållande två sammankopplade kammar. Teamet visade direkt visualisering av EM-fältsvängning med tiden för att avslöja fältamplitud, polarisationsriktning och vågutbredning på nanometer-pikosekund tidsskala, som hittills varit otillgänglig med andra bildtekniker. Den laserfria UEM ger en kraftfull väg för att förstå elektrodynamik i små enheter som fungerar över megahertz till gigahertz frekvenser, som trådlösa antenner, sensorer och RF mikroelektromekaniska system (MEMS). Ytterligare optimering kommer att tillåta sub-picoseconds och även femtosekundsvågpaket för att möjliggöra femtosekunds tidsupplösning för laserfri UEM. Arbetet kommer att ha breda implikationer över materialfysik till biologi och mobil kommunikationsteknik.

© 2020 Science X Network