Forskare har använt SLAC:s experiment för ultrasnabb elektrondiffraktion (UED), en av världens snabbaste "elektronkameror" för att ta ögonblicksbilder av ett tre atoms tjockt lager av ett lovande material när det skrynklas som svar på en laserpuls. Att förstå dessa dynamiska krusningar kan ge avgörande ledtrådar för utvecklingen av nästa generations solceller, elektronik och katalysatorer. Kredit:SLAC National Accelerator Laboratory
Ny forskning ledd av forskare från Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University visar hur enskilda atomer rör sig på biljondelar av en sekund för att bilda rynkor på ett tre atoms tjockt material. Avslöjad av en helt ny "elektronkamera, "en av världens snabbaste, denna oöverträffade detaljnivå kan vägleda forskare i utvecklingen av effektiva solceller, snabb och flexibel elektronik och högpresterande kemiska katalysatorer.
Genombrottet, antagen för publicering 31 augusti in Nanobokstäver , kan ta materialvetenskap till en helt ny nivå. Det gjordes möjligt med SLAC:s instrument för ultrasnabb elektrondiffraktion (UED), som använder energiska elektroner för att ta ögonblicksbilder av atomer och molekyler på tidsskalor så snabbt som 100 kvadrilliondelar av en sekund.
"Detta är det första publicerade vetenskapliga resultatet med vårt nya instrument, " sa vetenskapsmannen Xijie Wang, SLAC:s UED-lagledare. "Den visar metodens enastående kombination av atomär upplösning, hastighet och känslighet."
SLAC-direktör Chi-Chang Kao sa, "Tillsammans med kompletterande data från SLAC:s röntgenlaser Linac Coherent Light Source, UED skapar oöverträffade möjligheter för ultrasnabb vetenskap inom ett brett spektrum av discipliner, från materialvetenskap till kemi till biovetenskaper." LCLS är en DOE Office of Science User Facility.
Extraordinära materialegenskaper i två dimensioner
monolager, eller 2D-material, innehåller bara ett enda lager av molekyler. I denna form kan de anta nya och spännande egenskaper som överlägsen mekanisk styrka och en utomordentlig förmåga att leda el och värme. Men hur får dessa monolager sina unika egenskaper? Tills nu, forskarna hade bara en begränsad bild av de bakomliggande mekanismerna.
Visualisering av laserinducerade rörelser av atomer (svarta och gula sfärer) i ett molybdendisulfidmonoskikt:Laserpulsen skapar rynkor med stora amplituder - mer än 15 procent av lagrets tjocklek - som utvecklas på en biljondels sekund. Kredit:K.-A. Duerloo/Stanford
"Funktionaliteten hos 2D-material beror kritiskt på hur deras atomer rör sig, " sa SLAC och Stanford-forskaren Aaron Lindenberg, som ledde forskargruppen. "Dock, ingen har någonsin kunnat studera dessa rörelser på atomnivå och i realtid tidigare. Våra resultat är ett viktigt steg mot att konstruera nästa generations enheter från enskiktsmaterial." Forskargruppen tittade på molybdendisulfid, eller MoS2, som används flitigt som smörjmedel men antar ett antal intressanta beteenden när det är i enskiktsform - mer än 150, 000 gånger tunnare än ett människohår.
Till exempel, monolagerformen är normalt en isolator, men när den sträcks, den kan bli elektriskt ledande. Detta växlingsbeteende kan användas i tunna, flexibel elektronik och för att koda information i datalagringsenheter. Tunna filmer av MoS2 studeras också som möjliga katalysatorer som underlättar kemiska reaktioner. Dessutom, de fångar ljus mycket effektivt och skulle kunna användas i framtida solceller.
På grund av denna starka interaktion med ljus, forskare tror också att de kanske kan manipulera materialets egenskaper med ljuspulser.
"För att konstruera framtida enheter, kontrollera dem med ljus och skapa nya egenskaper genom systematiska modifieringar, vi måste först förstå de strukturella transformationerna av monolager på atomnivå, " sa Stanford-forskaren Ehren Mannebach, studiens huvudförfattare.
Elektronkamera avslöjar ultrasnabba rörelser
Tidigare analyser visade att enstaka lager av molybdendisulfid har en skrynklig yta. Dock, dessa studier gav endast en statisk bild. Den nya studien avslöjar för första gången hur ytkrusningar bildas och utvecklas som svar på laserljus.
Forskare vid SLAC placerade sina monolagerprover, som utarbetades av Linyou Caos grupp vid North Carolina State University, till en stråle av mycket energiska elektroner. Elektronerna, som kommer med ultrakorta pulser, sprida bort provets atomer och producera en signal på en detektor som forskare använder för att avgöra var atomerna finns i monoskiktet. Denna teknik kallas ultrasnabb elektrondiffraktion.
Teamet använde sedan ultrakorta laserpulser för att excitera rörelser i materialet, vilket gör att spridningsmönstret förändras över tiden.
Att studera ultrasnabba atomrörelser i ett enda lager av molybdendisulfid, forskare följde en pump-probe-metod:De exciterade rörelser med en laserpuls (pumppuls, röd) och sonderade de laserinducerade strukturella förändringarna med en efterföljande elektronpuls (sondpuls, blå). Elektronerna i sondpulsen sprider sig från monoskiktets atomer (blå och gula sfärer) och bildar ett spridningsmönster på detektorn - en signal som laget använde för att bestämma monolagerstrukturen. Genom att registrera mönster vid olika tidsfördröjningar mellan pump- och sondpulserna, forskarna kunde fastställa hur atomstrukturen hos molybdendisulfidfilmen förändrades över tiden. Kredit:SLAC National Accelerator Laboratory
"Kombinerat med teoretiska beräkningar, dessa data visar hur ljuspulserna genererar rynkor som har stora amplituder - mer än 15 procent av lagrets tjocklek - och utvecklas extremt snabbt, på ungefär en biljondels sekund. Det här är första gången någon har visualiserat dessa ultrasnabba atomrörelser, sa Lindenberg.
När forskare bättre förstår monolager av olika material, de kunde börja sätta ihop dem och konstruera blandade material med helt nya optiska, mekanisk, elektroniska och kemiska egenskaper.
