I ricercatori hanno utilizzato l'esperimento di SLAC per la diffrazione elettronica ultraveloce (UED), una delle "fotocamere elettroniche" più veloci al mondo per scattare istantanee di uno strato di tre atomi di un materiale promettente mentre si piega in risposta a un impulso laser. La comprensione di queste increspature dinamiche potrebbe fornire indizi cruciali per lo sviluppo di celle solari di prossima generazione, elettronica e catalizzatori. Credito:SLAC National Accelerator Laboratory
Una nuova ricerca condotta da scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e della Stanford University mostra come i singoli atomi si muovano in trilionesimi di secondo per formare rughe su un materiale dello spessore di tre atomi. Rivelato da una nuovissima "fotocamera elettronica, "uno dei più veloci al mondo, questo livello di dettaglio senza precedenti potrebbe guidare i ricercatori nello sviluppo di celle solari efficienti, elettronica veloce e flessibile e catalizzatori chimici ad alte prestazioni.
La svolta, accettato per la pubblicazione 31 agosto in Nano lettere , potrebbe portare la scienza dei materiali a un livello completamente nuovo. È stato reso possibile con lo strumento SLAC per la diffrazione elettronica ultraveloce (UED), che utilizza elettroni energetici per scattare istantanee di atomi e molecole su scale temporali fino a 100 quadrilionesimi di secondo.
"Questo è il primo risultato scientifico pubblicato con il nostro nuovo strumento, " ha detto lo scienziato Xijie Wang, Il capo del team UED di SLAC. "Mette in mostra l'eccezionale combinazione del metodo di risoluzione atomica, velocità e sensibilità."
Il direttore dello SLAC Chi-Chang Kao ha dichiarato:"Insieme ai dati complementari del laser a raggi X Linac Coherent Light Source di SLAC, UED crea opportunità senza precedenti per la scienza ultraveloce in una vasta gamma di discipline, dalla scienza dei materiali alla chimica fino alle bioscienze." LCLS è un DOE Office of Science User Facility.
Proprietà materiali straordinarie in due dimensioni
Monostrati, o materiali 2-D, contengono solo un singolo strato di molecole. In questa forma possono assumere nuove ed entusiasmanti proprietà come una resistenza meccanica superiore e una straordinaria capacità di condurre elettricità e calore. Ma come fanno questi monostrati ad acquisire le loro caratteristiche uniche? Fino ad ora, i ricercatori avevano solo una visione limitata dei meccanismi sottostanti.
Visualizzazione dei movimenti indotti dal laser degli atomi (sfere nere e gialle) in un monostrato di bisolfuro di molibdeno:l'impulso laser crea rughe con ampie ampiezze - più del 15% dello spessore dello strato - che si sviluppano in un trilionesimo di secondo. Credito:K.-A. Duerloo/Stanford
"La funzionalità dei materiali 2-D dipende in modo critico da come si muovono i loro atomi, " ha detto il ricercatore dello SLAC e di Stanford Aaron Lindenberg, che ha guidato il gruppo di ricerca. "Però, nessuno è mai stato in grado di studiare questi moti a livello atomico e in tempo reale prima d'ora. I nostri risultati sono un passo importante verso la progettazione di dispositivi di nuova generazione da materiali a strato singolo." Il team di ricerca ha esaminato il bisolfuro di molibdeno, o MoS2, che è ampiamente usato come lubrificante ma assume una serie di comportamenti interessanti quando in forma monostrato - più di 150, 000 volte più sottile di un capello umano.
Per esempio, la forma monostrato è normalmente un isolante, ma quando allungato, può diventare elettricamente conduttivo. Questo comportamento di commutazione potrebbe essere utilizzato in ambienti sottili, elettronica flessibile e per codificare le informazioni nei dispositivi di memorizzazione dei dati. Sono allo studio anche film sottili di MoS2 come possibili catalizzatori che facilitano le reazioni chimiche. Inoltre, catturano la luce in modo molto efficiente e potrebbero essere utilizzati in future celle solari.
A causa di questa forte interazione con la luce, i ricercatori pensano anche di poter manipolare le proprietà del materiale con impulsi luminosi.
"Per progettare dispositivi futuri, controllarli con la luce e creare nuove proprietà attraverso modifiche sistematiche, dobbiamo prima capire le trasformazioni strutturali dei monostrati a livello atomico, ", ha affermato il ricercatore di Stanford Ehren Mannebach, l'autore principale dello studio.
La fotocamera elettronica rivela movimenti ultraveloci
Analisi precedenti hanno mostrato che i singoli strati di bisolfuro di molibdeno hanno una superficie rugosa. Però, questi studi hanno fornito solo un quadro statico. Il nuovo studio rivela per la prima volta come si formano ed evolvono le increspature superficiali in risposta alla luce laser.
I ricercatori dello SLAC hanno posizionato i loro campioni monostrato, che sono stati preparati dal gruppo di Linyou Cao alla North Carolina State University, in un fascio di elettroni molto energetici. Gli elettroni, che vengono impacchettati in impulsi ultracorti, disperdere gli atomi del campione e produrre un segnale su un rivelatore che gli scienziati utilizzano per determinare dove si trovano gli atomi nel monostrato. Questa tecnica è chiamata diffrazione elettronica ultraveloce.
Il team ha quindi utilizzato impulsi laser ultracorti per eccitare i movimenti nel materiale, che causano la variazione del modello di dispersione nel tempo.
Per studiare i moti atomici ultraveloci in un singolo strato di bisolfuro di molibdeno, i ricercatori hanno seguito un approccio pump-probe:hanno eccitato i movimenti con un impulso laser (impulso di pompa, rosso) e ha sondato i cambiamenti strutturali indotti dal laser con un successivo impulso di elettroni (impulso di sonda, blu). Gli elettroni dell'impulso della sonda si disperdono dagli atomi del monostrato (sfere blu e gialle) e formano uno schema di dispersione sul rivelatore, un segnale utilizzato dal team per determinare la struttura del monostrato. Registrando i modelli a diversi ritardi tra la pompa e gli impulsi della sonda, gli scienziati sono stati in grado di determinare come la struttura atomica del film di bisolfuro di molibdeno è cambiata nel tempo. Credito:SLAC National Accelerator Laboratory
"Combinato con calcoli teorici, questi dati mostrano come gli impulsi luminosi generino rughe di grande ampiezza - più del 15 percento dello spessore dello strato - e si sviluppino con estrema rapidità, in circa un trilionesimo di secondo. Questa è la prima volta che qualcuno ha visualizzato questi moti atomici ultraveloci, "Ha detto Lindenberg.
Una volta che gli scienziati hanno compreso meglio i monostrati di materiali diversi, potrebbero iniziare a metterli insieme e progettare materiali misti con ottiche completamente nuove, meccanico, proprietà elettroniche e chimiche.
