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《Science》超强电镜技术!实现结构相变有序参数的超快纳米成像

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材料科学与工程 2021-01-24 21:34

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编辑推荐:超快透射电子显微镜将为观察相关材料的纳米级动力学提供新的视角。

通过光转换控制,可了解材料和器件的微观过程,但这需要在纳米长度和飞秒时间尺度上进行动力学实验。近日,来自德国格廷根大学&马克斯普朗克研究所的Claus Ropers等研究者,引入超快暗场电子显微镜,在结构相变中映射有序参数。相关论文以题为“Ultrafast nano imaging of the order parameter in a structural phase transition”发表在Science上,更多精彩专业视频请搜索抖音账号:材料科学网。

论文链接:

https://science.sciencemag.org/content/371/6527/371

从 飞秒化学到超快凝聚态物理,对材料物理和化学性质的光学控制,一直是个反复出现的课题。 与此同时,基础科学的发现,揭示了特定的光诱导特征和相关效应,包括耦合有序参数、亚稳态或隐藏态、超导性、拓扑变化和金属-绝缘体转变等。

一般来说,微观关联是在飞秒到皮秒的时间尺度上演化的,这是一种可以通过超快测量方法实现的机制。这种方法可以实现空间平均性质的探测,如电子间隙、光学导电性、磁化和周期性晶格和电荷密度调制的不稳定性。然而,器件的功能通常来自于纳米尺度的结构或不同材料的界面。这就需要用实验的方法,以空间相关的序参量来捕捉动态。

最近利用近场探测完成了相关金属-绝缘体相变中,局部自由载流子响应的时间分辨映射。然而,对控制原子尺度上过度的时空结构变化的直接敏感性,仍然是一个挑战。超快透射电子显微镜(UTEM)已被证明,是研究晶格动力学的有价值的工具,但仍没有提供结构有序参数的直接对比。

在此,研究者用纳米空间分辨率和飞秒时间分辨率演示了电荷密度波(CDW)相的实空间成像。通过引入一个定制的超快暗场(DF)电子显微镜方案,研究者获得了一个典型CDW系统的序参量映射。研究者利用超短激光脉冲局部激发1T-TaS2(1T-多型二硫化钽)薄膜,并利用超短电子脉冲对样品的瞬态成像。一个定制的暗场孔径阵列,允许研究者以飞秒的时间分辨率和5纳米的空间分辨率,跟踪材料中电荷-密度波畴的演化,阐明了弛豫路径和畴壁动力学。研究者观察了光激发后CDW畴的形成、稳定和弛豫,并发现了连续波和脉冲照明下出现的畴型之间的巨大差异。

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图1 超快透射电子显微镜中的暗场成像。

图2 电荷-密度波动力学的超快暗场域成像。

图3 连续-波激光激发的暗场域成像。

图4 光诱导序参量动力学的时间分辨Ginzburg-Landau模拟。

综上所述,本研究说明了样品后或者甚至样品前束整形的对比度增强,是如何允许在复杂材料中具有更大自由度的灵敏度,为其他类型的研究铺平了道路。这些可能性包括瞬态声子群的成像,特别是在CDW材料中振幅和相位模式的可视化。此外,对这些材料电荷序中拓扑缺陷的空间分辨研究,可以对相形成动力学有更深入的理解。最后,波束成形参数的仔细设计,可以促进多相成像或手性镜像域的同时映射。利用这些机会,超快透射电子显微镜将为观察相关材料的纳米级动力学提供新的视角。(文:水生)

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