Сверхбыстрый электронный микроскоп открывает новые возможности для разработки сенсоров и квантовых устройств.

Каждый, кто когда-либо был в Гранд-Каньоне, может испытать сильные чувства от близости к одному из краев природы. Точно так же ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) обнаружили, что наночастицы золота действуют необычно, когда находятся вблизи края углеродного листа толщиной в один атом, называемого графеном. Это может иметь большое значение для разработки новых датчиков и квантовых устройств.

Это открытие стало возможным благодаря недавно установленному сверхбыстрому электронному микроскопу (UEM) в Аргоннском Центре наноразмерных материалов (CNM), учреждении для пользователей Управления науки Министерства энергетики США. UEM позволяет визуализировать и исследовать явления в наномасштабе и во временных рамках менее одной триллионной секунды. Это открытие может произвести фурор в растущей области плазмоники, в которой свет падает на поверхность материала и запускает волны электронов, известные как плазмонные поля.

Благодаря сверхбыстрым возможностям невозможно предсказать, что мы можем увидеть, изменяя различные материалы и их свойства.

Хайхуа Лю, аргоннский наноученый

В течение многих лет ученые занимались разработкой плазмонных устройств с широким спектром приложений -; от квантовой обработки информации до оптоэлектроники (сочетающей световые и электронные компоненты) до датчиков для биологических и медицинских целей. Для этого они соединяют двухмерные материалы с толщиной атомного уровня, такие как графен, с наноразмерными металлическими частицами. Понимание комбинированного плазмонного поведения этих двух разных типов материалов требует точного понимания того, как они связаны.

В недавнем исследовании, проведенном в Аргонне, исследователи использовали сверхбыструю электронную микроскопию, чтобы посмотреть непосредственно на взаимодействие между наночастицами золота и графеном.

«Поверхностные плазмоны – это индуцированные светом электронные колебания на поверхности наночастицы или на границе раздела наночастицы и другого материала», – сказал аргоннский ученый по нанотехнологиям Хайхуа Лю . «Когда мы направляем свет на наночастицу, она создает короткоживущее плазмонное поле. Импульсные электроны в нашем UEM взаимодействуют с этим короткоживущим полем, когда они перекрываются, и электроны либо набирают, либо теряют энергию. Затем мы собирать те электроны, которые набирают энергию, используя энергетический фильтр, чтобы отобразить распределение плазмонного поля вокруг наночастицы. "

Изучая наночастицы золота, Лю и его коллеги обнаружили необычное явление. Когда наночастица находилась на плоском листе графена, плазмонное поле было симметричным. Но когда наночастица была расположена близко к краю графена, плазмонное поле концентрировалось намного сильнее вблизи краевой области.

«Это замечательный новый способ мышления о том, как мы можем управлять зарядом в форме плазмонного поля и другими явлениями, используя свет в наномасштабе», Лю сказал. «Благодаря сверхбыстрым возможностям невозможно предсказать, что мы можем увидеть при настройке различных материалов и их свойств».

Весь этот экспериментальный процесс, от стимуляции наночастицы до обнаружения плазмонного поля, происходит менее чем за несколько сотен квадриллионных долей секунды.

«CNM уникален тем, что в нем размещен UEM, открытый для доступа пользователя и способный проводить измерения с нанометровым пространственным разрешением и субпикосекундным временным разрешением», – сказал директор CNM Илке Арслан. «Возможность проводить такие измерения в такое короткое временное окно открывает возможность изучения огромного множества новых явлений в неравновесных состояниях, которые у нас раньше не было возможности исследовать. Мы взволнованы предоставить эту возможность международному сообществу пользователей ".

Достигнутое понимание механизма связи этой системы наночастиц и графена должно стать ключом к будущей разработке новых захватывающих плазмонных устройств.

Статья, основанная на исследовании «Визуализация плазмонных связей с помощью сверхбыстрой электронной микроскопии» появилась в выпуске Nano Letters от 21 июня . Помимо Лю и Арслана, в число других авторов входят Томас Гейдж из Аргонны, Ричард Шаллер и Стивен Грей. Прем Сингх и Амит Джайсвал из Индийского технологического института также внесли свой вклад, как и Джау Тан из Уханьского университета и Сан Тхэ Пак из IDES, Inc.

Исследование финансировалось Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США.

Источник: https://www.anl.gov/[19459007provided