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超快电子显微镜为传感器和量子器件的发展铺平道路

超快电子显微镜为传感器和量子器件的开发开辟了新途径。

每个去过大峡谷的人都会因为靠近大自然的边缘而产生强烈的感受。同样,美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的科学家们发现,当接近一个原子厚的碳片(称为石墨烯)的边缘时,金纳米颗粒会表现异常。这可能对新传感器和量子设备的开发产生重大影响。

这一发现是通过美国能源部科学用户设施办公室阿贡纳米材料中心 (CNM) 新建立的超快电子显微镜 (UEM) 实现的。 UEM 能够在不到一万亿分之一秒的时间范围内对纳米级现象进行可视化和调查。这一发现可能会在不断发展的等离子体领域引起轰动,该领域涉及光撞击材料表面并触发电子波,称为等离子体场。

凭借超快功能,当我们调整不同的材料及其属性时,我们不知道会看到什么。

刘海华,阿贡纳米科学家

多年来,科学家们一直致力于开发具有广泛应用的等离子体设备——;从量子信息处理到光电子学(结合了基于光的和电子元件)到用于生物和医学目的的传感器。为此,他们将具有原子级厚度的二维材料(例如石墨烯)与纳米尺寸的金属颗粒相结合。了解这两种不同类型材料的组合等离子体行为需要准确了解它们是如何耦合的。

在 Argonne 最近的一项研究中,研究人员使用超快电子显微镜直接观察金纳米颗粒和石墨烯之间的耦合。

“表面等离子体是纳米粒子表面或纳米粒子与另一种材料界面上的光诱导电子振荡,” 阿贡纳米科学家刘海华说。“当我们向纳米粒子照射光时,它会产生一个短寿命的等离子体场。当两者重叠时,我们 UEM 中的脉冲电子与这个短寿命场相互作用,电子要么获得能量,要么失去能量。然后,我们收集那些使用能量过滤器获得能量的电子来绘制纳米粒子周围的等离子体场分布。”

在研究金纳米粒子时,刘和他的同事发现了一个不寻常的现象。当纳米颗粒位于石墨烯平板上时,等离子体场是对称的。但是当纳米颗粒靠近石墨烯边缘时,等离子体场在边缘区域附近集中得更强烈。

“这是一种非凡的思考我们如何使用纳米级光以等离子体场和其他现象的形式操纵电荷的新方法,” 刘说。 “凭借超快的能力,当我们调整不同的材料及其属性时,我们无法预测会看到什么。”

整个实验过程,从纳米粒子的刺激到等离子体场的检测,发生在不到几百千万亿分之一秒内。

“CNM 在容纳 UEM 方面是独一无二的,该 UEM 对用户开放,并且能够以纳米空间分辨率和亚皮秒时间分辨率进行测量,” CNM 导演 Ilke Arslan 说。 “能够在如此短的时间窗口内进行这样的测量,开启了对非平衡状态中大量新现象的研究,我们以前没有能力探测到这些现象。我们很高兴能够提供这个国际用户社区的能力。”

对这种纳米颗粒-石墨烯系统的耦合机制的理解应该是未来开发令人兴奋的新型等离子体装置的关键。

基于研究的论文, “使用超快电子显微镜可视化等离子体耦合,” 出现在 6 月 21 日的 Nano Letters 版中. 除了 Liu 和 Arslan,其他作者还包括 Argonne 的 Thomas Gage、Richard Schaller 和 Stephen Gray。印度理工学院的 Prem Singh 和 Amit Jaiswal 以及武汉大学的 Jau Tang 和 IDES, Inc. 的 Sang Tae Park 也做出了贡献。

该研究由美国能源部基础能源科学办公室资助。

来源: //www.anl.gov/

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