För att förstå avancerade material som grafen nanostrukturer och optimera dem för enheter inom nano-, opto- och kvantteknik är det avgörande att förstå hur fononer – vibrationen av atomer i fasta ämnen – påverkar materialens egenskaper. Forskare från universitetet i Wien, Advanced Institute of Science and Technology i Japan, företaget JEOL och La Sapienza University i Rom har utvecklat en metod som kan mäta alla fononer som finns i ett nanostrukturerat material. Detta är ett genombrott i analysen av funktionella material och enheter i nanoskala. Med detta pilotexperiment med grafennanostrukturer har dessa forskare visat det unika med deras tillvägagångssätt, som kommer att publiceras i senaste numret av Natur .

Viktig termisk, mekanisk, optoelektroniska och transportegenskaper hos material styrs av fononer:de fortplantande atomära vibrationsvågorna. Man kan då sluta sig till att bestämningen av sådana utökade atomvibrationer är avgörande för optimeringen av nanoelektroniska enheter. De nuvarande tillgängliga teknikerna använder optiska metoder såväl som oelastiska elektron-, Röntgen- och neutronspridning. Trots dess vetenskapliga betydelse under det senaste decenniet, ingen av dessa metoder har kunnat bestämma alla fononer av ett fristående monolager av tvådimensionella (2-D) material som grafen och deras lokala variationer inom ett grafen nanorband, som i sin tur används som aktiva element inom nano- och optoelektronik.

De nya gränserna för nanospektroskopi

Ett internationellt forskarlag av ledande experter inom elektronspektroskopi ledd av Thomas Pichler vid Wiens universitet, teoretisk spektroskopi ledd av Francesco Mauri vid La Sapienza University i Rom och elektronmikroskopi ledd av Kazu Suenaga vid AIST Tsukuba i Japan, tillsammans med det japanska företaget JEOL har presenterat en originalmetod som tillämpar den på grafennanostrukturer som modell:"högupplöst elektronspektroskopi inuti ett elektronmikroskop med tillräckligt med känslighet för att mäta även ett atomärt monolager." På detta sätt kunde de för första gången bestämma alla vibrationslägen av fristående grafen såväl som den lokala förlängningen av olika vibrationslägen i ett grafennanoband. Denna nya metod, som de kallade "large q mapping" öppnar helt nya möjligheter att bestämma den rumsliga och momentumförlängningen av fononer i alla nanostrukturerade såväl som tvådimensionella avancerade material. Dessa experiment tänjer på gränserna för nanospektroskopi och närmar sig gränserna för Heisenbergs osäkerhetsprincip och visar nya möjligheter att studera lokala vibrationslägen på nanometerskala ner till enskilda monolager.

Ny elektronnannospektrometer som "bordsskiva" synkrotron

"Det direkta experimentella beviset på den fullständiga spatiala och momentumupplösta kartläggningen av lokala vibrationer av alla material inklusive till och med monolager 2-D-material och nanoband kommer att göra det möjligt för oss att helt distrahera olika vibrationslägen och deras momentumöverföringar vid icke-perfekta strukturer som kanter eller defekter, som är extremt viktiga för att förstå och optimera de lokala egenskaperna hos ett material, " förklarar en av de ledande författarna, Ryosuke Senga.

Denna studie av "High q-Mapping Of Vibrations" i elektronmikroskopet öppnar en ny väg för nanospektroskopi av alla material genom att kombinera rumsliga och momentumupplösta mätningar. Detta har varit den största utmaningen när det gäller kombinationen av mikroskopi och spektroskopi, eftersom de rumsliga och momentumupplösningarna kompenseras på grund av gränsen för Heisenbergs osäkerhetsprincip. "Vi tror att vår metod kommer att öka omfattande forskning inom materialvetenskap och kommer att driva högupplöst elektronspektroskopi inom elektronmikroskopi till nästa nivå, att tänkas vara en sann bordssynkrotron, säger Thomas Pichler från universitetet i Wien.