Физики из Национальной ускорительной лаборатории SLAC при Стэнфордском университете провели уникальный эксперимент. Им удалось зарегистрировать движение отдельных атомов в монослое дисульфида молибдена MoS2 толщиной три атома. Для съёмки использовалась так называемая «электрон-камера», в которой замеряется эффект сверхбыстрой дифракции электронов (ultrafast electron diffraction, UED).

Это первый эксперимент с применением UED-камеры. Поэтому смотреть анимацию с перемещением атомов за триллионные доли секунды слегка непривычно.

Изучение монослоёв особенно интересно, поскольку это очень необычный материал. Плёнки толщиной в одну молекулу зачастую демонстрируют неожиданные физические свойства. Например, экстремальную механическую прочность или сверхпроводимость. Тот же дисульфид молибдена широко используется как банальный лубрикант (смазка), но демонстрирует интересные свойства, если его растянуть в монослой. В обычном виде смазка является изолятором, а вот монослой MoS2 отлично проводит ток.

На иллюстрации показана расчётная модель монослоя MoS2, с которым проводили эксперимент в Национальной ускорительной лаборатории SLAC: его идеальная структура (a), структура при 27?C (b) и структура при 620?C .



Ниже — визуализация реальных данных, полученных при воздействии на монослой сверхкоротких лазерных импульсов.



В течение триллионной доли секунды импульс создаёт «вмятины» глубиной более 15% от толщины материала.

Как работает камера


Принцип электронной дифракции основан в том, что длина волны электрона зависит от его энергии. Импульс (направление движения) изменяется, когда электрон проходит через другой материал. В нашем случае — через монослой MoS2.

Таким образом, мы используем сверхкороткий импульс электронов высокой энергии (синяя волна на иллюстрации) для «сканирования» состояния атомов монослоя (голубые и жёлтые шарики), предварительно послав возбуждающий импульс лазера (красная волна).



Детектор определяет состояние электронов, поступивших от «дифракционной решётки» монослоя. По этим данным можно составить картину с расположением атомов. Оборудование позволяет отслеживать движение атомов в реальном времени.

По мнению специалистов, новый метод видеосъёмки атомов в материале, вместе с сопутствующей информацией с линейного ускорителя (Linac Coherent Light Source, LCLS), «создаёт беспрецедентные возможности для сверхточных исследований в разных научных дисциплинах, от материаловедения до химии и биотехнологий».

Это также важный шаг к конструированию устройств из материалов толщиной в одну молекулу. Их можно использовать в электронике, химии (как катализаторы), энергетике (монослои очень эффективно преобразуют световую энергию). Вообще, сильная чувствительность монослоёв к свету наталкивает на мысль управления их физическими свойствами с помощью импульсов света. Но для этого сначала следует точно разобраться в природе структурных трансформаций, которые происходят в монослоях.

Тщательно изучив свойства монослоёв из разных материалов, учёные начнут смешивать их, составлять композитные материалы с совершенно новыми оптическими, механическими, электронными и химическими свойствами.



Научная работа с описанием эксперимента опубликована в журнале Nano Letters 31 августа 2015 года (E. M. Mannebach et al., Nano Letters, 31 August 2015. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02805).

Комментарии (1)


  1. qbertych
    13.09.2015 01:28
    +21

    монослой MoS2 отлично проводит ток. До сих пор неизвестно достоверно, почему так происходит
    Да давно уже известно, зонные структуры всевозможных двумерных материалов посчитаны еще на заре графена.

    Принцип электронной дифракции основан в том, что длина волны электрона зависит от его энергии. Энергия изменяется, когда электрон проходит через другой материал.
    Как раз наоборот. При дифракции энергия остается прежней, а импульс (направление движения) меняется. Поэтому на экране за образцом видна не одна точка, а сложная картина.

    Природа ярких точек на экране — в кристаллической решетке изучаемого материала. Электроны, рассеявшиеся на разных атомах под одним и тем же углом, интерферируют между собой. Яркий сигнал образуется при конструктивной интерференции; ее угол связан с периодом решетки. Собственно, так измеряют постоянные решеток кристаллов.

    Ну и пара слов о том, в чем крутизна работы. Она не в материале (его изучают уже давно) и не в разрешении на уровне атома (для электронной дифракции это элементарно). Проблема в том, что тонкий кристалл слабо рассеивает электроны, и для дифракции нужен яркий источник электронов. Авторы смогли построить такой источник, причем ультракоротких импульсов — а это дало отличное временное разрешение чуть меньше пикосекунды.