Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Động lực học cấu trúc được khảo sát qua chùm electron có độ đồng bộ cao
Tóm tắt
Công nghệ đo lường siêu nhanh đóng góp thiết yếu vào việc hiểu biết về các thuộc tính và chức năng của chất rắn và nanostructures. Các góc nhìn ở quy mô nguyên tử với độ phân giải không gian và thời gian ngày càng cao được cung cấp bởi các phương pháp dựa trên các xung tia X và electron ngắn. Sự nhiễu xạ electron và hiển vi thời gian thực là một trong những phương pháp mạnh mẽ nhất để điều tra động lực học cấu trúc không cân bằng. Trong bài viết này, chúng tôi thảo luận về những tiến bộ gần đây trong hình ảnh electron siêu nhanh nhờ vào những cải tiến đáng kể trong độ đồng bộ của các chùm electron xung. Cụ thể, chúng tôi xem xét sự phát triển và ứng dụng đầu tiên của sự nhiễu xạ electron năng lượng thấp siêu nhanh để nghiên cứu động lực học cấu trúc trên bề mặt, và thảo luận về những cơ hội mới cho hiển vi electron truyền dẫn siêu nhanh được tạo ra nhờ các nguồn phát điện trường được kích hoạt bằng laser. Những phát triển này cùng với những phát triển khác sẽ biến các chùm electron đồng bộ trở thành một thành phần thiết yếu trong hình ảnh siêu nhanh ở quy mô nano trong tương lai.
Từ khóa
#động lực học cấu trúc #điện tử #công nghệ đo lường siêu nhanh #nhiễu xạ electron #hiển vi electron truyền dẫnTài liệu tham khảo
U. Bovensiepen, H. Petek, M. Wolf, Eds., Dynamics at Solid State Surfaces and Interfaces (Wiley-VCH, Weinheim, Germany, 2010), vol. 1.
R.J.D. Miller, Annu. Rev. Phys. Chem. 65, 583 (2014).
A.H. Zewail, Annu. Rev. Phys. Chem. 57, 65 (2006).
A.M. Lindenberg, J. Larsson, K. Sokolowski-Tinten, K.J. Gaffney, C. Blome, O. Synnergren, J. Sheppard, C. Caleman, A.G. MacPhee, D. Weinstein, D.P. Lowney, T.K. Allison, T. Matthews, R.W. Falcone, A.L. Cavalieri, D.M. Fritz, S.H. Lee, P.H. Bucksbaum, D.A. Reis, J. Rudati, P.H. Fuoss, C.C. Kao, D.P. Siddons, R. Pahl, J. Als-Nielsen, S. Duesterer, R. Ischebeck, H. Schlarb, H. Schulte-Schrepping, Th. Tschentscher, J. Schneider, D. von der Linde, O. Hignette, F. Sette, H.N. Chapman, R.W. Lee, T.N. Hansen, S. Techert, J.S. Wark, M. Bergh, G. Huldt, D. van der Spoel, N. Timneanu, J. Hajdu, R.A. Akre, E. Bong, P. Krejcik, J. Arthur, S. Brennan, K. Luening, J.B. Hastings, Science 308, 392 (2005).
M.A. Huber, M. Plankl, M. Eisele, R.E. Marvel, F. Sandner, T. Korn, C. Schüller, R.F. Haglund, R. Huber, T.L. Cocker, Nano Lett. 16, 1421 (2016).
V. Kravtsov, R. Ulbricht, J.M. Atkin, M.B. Raschke, Nat. Nanotechnol. 11, 459 (2016).
M. Wagner, Z. Fei, A.S. McLeod, A.S. Rodin, W. Bao, E.G. Iwinski, Z. Zhao, M. Goldflam, M. Liu, G. Dominguez, M. Thiemens, M.M. Fogler, A.H. Castro Neto, C.N. Lau, S. Amarie, F. Keilmann, D.N. Basov, Nano Lett. 14, 894 (2014).
Y. Terada, S. Yoshida, O. Takeuchi, H. Shigekawa, Nat. Photonics 4, 869 (2010).
T.L. Cocker, V. Jelic, M. Gupta, S.J. Molesky, J.A.J. Burgess, G.D.L. Reyes, L.V. Titova, Y.Y. Tsui, M.R. Freeman, F.A. Hegmann, Nat. Photonics 7, 620 (2013).
T.L. Cocker, D. Peller, P. Yu, J. Repp, R. Huber, Nature 539, 263 (2016).
E. Quinonez, J. Handali, B. Barwick, Rev. Sci. Instrum. 84, 103710 (2013).
M. Müller, A. Paarmann, R. Ernstorfer, Nat. Commun. 5, 5292 (2014).
J. Vogelsang, J. Robin, B.J. Nagy, P. Dombi, D. Rosenkranz, M. Schiek, P. Groß, C. Lienau, Nano Lett. 15, 4685 (2015).
K.J. Gaffney, H.N. Chapman, Science 316, 1444 (2007).
R.L. Sandberg, C. Song, P.W. Wachulak, D.A. Raymondson, A. Paul, B. Amirbekian, E. Lee, A.E. Sakdinawat, C. La-O-Vorakiat, M.C. Marconi, C.S. Menoni, M.M. Murnane, J.J. Rocca, H.C. Kapteyn, J. Miao, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105, 24 (2008).
O. Kfir, S. Zayko, C. Nolte, M. Sivis, M. Möller, B. Hebler, S.S.P.K. Arekapudi, D. Steil, S. Schäfer, M. Albrecht, O. Cohen, S. Mathias, C. Ropers, Sci. Adv. 3, eaao4641 (2017).
R.J.D. Miller, Science 343, 1108 (2014).
A.H. Zewail, Science 328, 187 (2010).
P. Musumeci, J.T. Moody, C.M. Scoby, M.S. Gutierrez, H.A. Bender, N.S. Wilcox, Rev. Sci. Instrum. 81, 13306 (2010).
S. Lahme, C. Kealhofer, F. Krausz, P. Baum, Struct. Dyn. 1, 34303 (2014).
M. Gulde, S. Schweda, G. Storeck, M. Maiti, H.K. Yu, A.M. Wodtke, S. Schafer, C. Ropers, Science 345, 200 (2014).
S.P. Weathersby, G. Brown, M. Centurion, T.F. Chase, R. Coffee, J. Corbett, J.P. Eichner, J.C. Frisch, A.R. Fry, M. Gühr, N. Hartmann, C. Hast, R. Hettel, R.K. Jobe, E.N. Jongewaard, J.R. Lewandowski, R.K. Li, A.M. Lindenberg, I. Makasyuk, J.E. May, D. McCormick, M.N. Nguyen, A.H. Reid, X. Shen, K. Sokolowski-Tinten, T. Vecchione, S.L. Vetter, J. Wu, J. Yang, H.A. Dürr, X.J. Wang, Rev. Sci. Instrum. 86, 73702 (2015).
S. Manz, A. Casandruc, D. Zhang, Y. Zhong, R.A. Loch, A. Marx, T. Hasegawa, L.C. Liu, S. Bayesteh, H. Delsim-Hashemi, M. Hoffmann, M. Felber, M. Hachmann, F. Mayet, J. Hirscht, S. Keskin, M. Hada, S.W. Epp, K. Flöttmann, R.J.D. Miller, Faraday Discuss. 177, 467 (2015).
W. Liang, S. Schäfer, A.H. Zewail, Chem. Phys. Lett. 542, 1 (2012).
A. Hanisch-Blicharski, A. Janzen, B. Krenzer, S. Wall, F. Klasing, A. Kalus, T. Frigge, M. Kammler, M. Horn-von Hoegen, Ultramicroscopy 127, 2 (2013).
T. Frigge, B. Hafke, T. Witte, B. Krenzer, C. Streubühr, A. Samad Syed, V. Mikšic´ Trontl, I. Avigo, P. Zhou, M. Ligges, D. von der Linde, U. Bovensiepen, M. Horn-von Hoegen, S. Wippermann, A. Lücke, S. Sanna, U. Gerstmann, W.G. Schmidt, Nature 544, 207 (2017).
S. Vogelgesang, G. Storeck, J.G. Horstmann, T. Diekmann, M. Sivis, S. Schramm, K. Rossnagel, S. Schäfer, C. Ropers, Nat. Phys. 14, 184 (2018).
H. Dömer, O. Bostanjoglo, Rev. Sci. Instrum. 74, 4369 (2003).
J.S. Kim, T. LaGrange, B.W. Reed, M.L. Taheri, M.R. Armstrong, W.E. King, N.D. Browning, G.H. Campbell, Science 321, 1472 (2008).
D.-S. Yang, O.F. Mohammed, A.H. Zewail, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 14993 (2010).
J. Sun, V.A. Melnikov, J.I. Khan, O.F. Mohammed, J. Phys. Chem. Lett. 6, 3884 (2015).
T. Van Oudheusden, E.F. De Jong, S.B. van der Geer, W.P.E.M. Op ’t Root, O.J. Luiten, B.J. Siwick, J. Appl. Phys. 102, 93501 (2007).
G. Sciaini, R.J.D. Miller, Rep. Prog. Phys. 74, 96101 (2011).
R.P. Chatelain, V.R. Morrison, C. Godbout, B.J. Siwick, Appl. Phys. Lett. 101, 81901 (2012).
C. Gerbig, A. Senftleben, S. Morgenstern, C. Sarpe, T. Baumert, New J. Phys. 17, 43050 (2015).
L. Waldecker, R. Bertoni, R. Ernstorfer, J. Appl. Phys. 117, 44903 (2015).
H. Daoud, K. Floettmann, R.J.D. Miller, Struct. Dyn. 4, 044016 (2017).
M. Reiser, Theory and Design of Charged Particle Beams, Wiley Series in Beam Physics and Accelerator Technology (Wiley, Weinheim, Germany, 2008).
D.H. Dowell, J.F. Schmerge, Phys. Rev. Spec. Top. Accel. Beams 12, 74201 (2009).
M. Kuwahara, Y. Nambo, K. Aoki, K. Sameshima, X. Jin, T. Ujihara, H. Asano, K. Saitoh, Y. Takeda, N. Tanaka, Appl. Phys. Lett. 109, 13108 (2016).
L. Kasmi, D. Kreier, M. Bradler, E. Riedle, P. Baum, New J. Phys. 17, 33008 (2015).
M. Merano, S. Collin, P. Renucci, M. Gatri, S. Sonderegger, A. Crottini, J.D. Ganière, B. Deveaud, Rev. Sci. Instrum. 76, 85108 (2005).
C. Ropers, D.R. Solli, C.P. Schulz, C. Lienau, T. Elsaesser, Phys. Rev. Lett. 98, 43907 (2007).
B. Barwick, C. Corder, J. Strohaber, N. Chandler-Smith, C. Uiterwaal, H. Batelaan, New J. Phys. 9, 142 (2007).
P. Hommelhoff, Y. Sortais, A. Aghajani-Talesh, M.A. Kasevich, Phys. Rev. Lett. 96, 77401 (2006).
R. Bormann, M. Gulde, A. Weismann, S.V. Yalunin, C. Ropers, Phys. Rev. Lett. 105, 147601 (2010).
G. Herink, D.R. Solli, M. Gulde, C. Ropers, Nature 483, 190 (2012).
D. Ehberger, J. Hammer, M. Eisele, M. Krüger, J. Noe, A. Högele, P. Hommelhoff, Phys. Rev. Lett. 114, 227601 (2015).
A. Feist, N. Bach, N. Rubiano da Silva, T. Danz, M. Möller, K.E. Priebe, T. Domröse, J.G. Gatzmann, S. Rost, J. Schauss, S. Strauch, R. Bormann, M. Sivis, S. Schäfer, C. Ropers, Ultramicroscopy 176, 63 (2017).
F. Houdellier, G.M. Caruso, S. Weber, M. Kociak, A. Arbouet, Ultramicroscopy 186, 128 (2018).
A. Paarmann, M. Gulde, M. Müller, S. Schäfer, S. Schweda, M. Maiti, C. Xu, T. Hohage, F. Schenk, C. Ropers, R. Ernstorfer, J. Appl. Phys. 112, 113109 (2012).
R. Bormann, S. Strauch, S. Schäfer, C. Ropers, J. Appl. Phys. 118, 173105 (2015).
B. Schröder, M. Sivis, R. Bormann, S. Schäfer, C. Ropers, Appl. Phys. Lett. 107, 231105 (2015).
M.Z. Hasan, C.L. Kane, Rev. Mod. Phys. 82, 3045 (2010).
A. Ichimiya, P.I. Cohen, Reflection High-Energy Electron Diffraction, Springer Series in Surface Sciences (Cambridge University Press, Cambridge, 2004).
M.A. Van Hove, W.H. Weinberg, C.-M. Chan, Low-Energy Electron Diffraction, Springer Series in Surface Sciences (Springer-Verlag, Berlin, 1986).
G. Storeck, S. Vogelgesang, M. Sivis, S. Schäfer, C. Ropers, Struct. Dyn. 4, 44024 (2017).
A. Spijkerman, J.L. de Boer, A. Meetsma, G.A. Wiegers, S. van Smaalen, Phys. Rev. B Condens. Matter 56, 13757 (1997).
K. Rossnagel, J. Phys. Condens. Matter 23, 213001 (2011).
L. Stojchevska, I. Vaskivskyi, T. Mertelj, P. Kusar, D. Svetin, S. Brazovskii, D. Mihailovic, Science 344, 177 (2014).
L. Perfetti, P.A. Loukakos, M. Lisowski, U. Bovensiepen, H. Berger, S. Biermann, P.S. Cornaglia, A. Georges, M. Wolf, Phys. Rev. Lett. 97, 67402 (2006).
S. Hellmann, C. Sohrt, M. Beye, T. Rohwer, F. Sorgenfrei, M. Marczynski-Bühlow, M. Kalläne, H. Redlin, F. Hennies, M. Bauer, A. Föhlisch, L. Kipp, W. Wurth, K. Rossnagel, New J. Phys. 14, 13062 (2012).
J.C. Petersen, S. Kaiser, N. Dean, A. Simoncig, H.Y. Liu, A.L. Cavalieri, C. Cacho, I.C.E. Turcu, E. Springate, F. Frassetto, L. Poletto, S.S. Dhesi, H. Berger, A. Cavalleri, Phys. Rev. Lett. 107, 177402 (2011).
M. Ligges, I. Avigo, D. Golež, H. Strand, Y. Beyazit, K. Hanff, F. Diekmann, L. Stojchevska, M. Kalläne, P. Zhou, K. Rossnagel, M. Eckstein, P. Werner, U. Bovensiepen, Phys. Rev. Lett. 120, 166401 (2018).
M. Eichberger, H. Schäfer, M. Krumova, M. Beyer, J. Demsar, H. Berger, G. Moriena, G. Sciaini, R.J.D. Miller, Nature 468, 799 (2010).
K. Haupt, M. Eichberger, N. Erasmus, A. Rohwer, J. Demsar, K. Rossnagel, H. Schwoerer, Phys. Rev. Lett. 116, 16402 (2016).
C. Laulhé, T. Huber, G. Lantz, A. Ferrer, S.O. Mariager, S. Grübel, J. Rittmann, J.A. Johnson, V. Esposito, A. Lübcke, L. Huber, M. Kubli, M. Savoini, V.L.R. Jacques, L. Cario, B. Corraze, E. Janod, G. Ingold, P. Beaud, S.L. Johnson, S. Ravy, Phys. Rev. Lett. 118, 247401 (2017).
W.L. McMillan, Phys. Rev. B Condens. Matter 12, 1187 (1975).
L. Wimmer, G. Herink, D.R. Solli, S.V. Yalunin, K.E. Echternkamp, C. Ropers, Nat. Phys. 10, 432 (2014).
C. Kealhofer, W. Schneider, D. Ehberger, A. Ryabov, F. Krausz, P. Baum, Science 352, 429 (2016).
D.J. Flannigan, A.H. Zewail, Acc. Chem. Res. 45, 1828 (2012).
L. Piazza, D.J. Masiel, T. LaGrange, B.W. Reed, B. Barwick, F. Carbone, Chem. Phys. 423, 79 (2013).
A. Feist, K.E. Echternkamp, J. Schauss, S.V. Yalunin, S. Schäfer, C. Ropers, Nature 521, 200 (2015).
E. Kieft, K.B. Schliep, P.K. Suri, D.J. Flannigan, Struct. Dyn. 2, 51101 (2015).
G. Cao, S. Sun, Z. Li, H. Tian, H. Yang, J. Li, Sci. Rep. 5, 8404 (2015).
K. Bücker, M. Picher, O. Crégut, T. LaGrange, B.W. Reed, S.T. Park, D.J. Masiel, F. Banhart, Ultramicroscopy 171, 8 (2016).
Y.M. Lee, Y.J. Kim, Y.-J. Kim, O.-H. Kwon, Struct. Dyn. 4, 44023 (2017).
S. Ji, L. Piazza, G. Cao, S.T. Park, B.W. Reed, D.J. Masiel, J. Weissenrieder, Struct. Dyn. 4, 54303 (2017).
W. Verhoeven, J.F.M. van Rens, E.R. Kieft, P.H.A. Mutsaers, O.J. Luiten, Ultramicroscopy 188, 85 (2018).
A. Tonomura, Electron Holography, 2nd ed., Springer Series in Optical Sciences (Springer, Berlin, 1999).
P.A. Midgley, R.E. Dunin-Borkowski, Nat. Mater. 8, 271 (2009).
J. Verbeeck, H. Tian, P. Schattschneider, Nature 467, 301 (2010).
J.M. Zuo, J.C.H. Spence, Advanced Transmission Electron Microscopy (Springer-Verlag, New York, 2017).
B. Cook, M. Bronsgeest, K. Hagen, P. Kruit, Ultramicroscopy 109, 403 (2009).
D.K. Armani, T.J. Kippenberg, S.M. Spillane, K.J. Vahala, Nature 421, 925 (2003).
M. Eichenfield, J. Chan, R.M. Camacho, K.J. Vahala, O. Painter, Nature 462, 78 (2009).
M. Aspelmeyer, T.J. Kippenberg, F. Marquardt, Rev. Mod. Phys. 86, 1391 (2014).
M. Maldovan, Nature 503, 209 (2013).
S. Volz, J. Ordonez-Miranda, A. Shchepetov, M. Prunnila, J. Ahopelto, T. Pezeril, G. Vaudel, V. Gusev, P. Ruello, E.M. Weig, M. Schubert, M. Hettich, M. Grossman, T. Dekorsy, F. Alzina, B. Graczykowski, E. Chavez-Angel, J. Sebastian Reparaz, M.R. Wagner, C.M. Sotomayor-Torres, S. Xiong, S. Neogi, D. Donadio, Eur. Phys. J. B 89, 15 (2016).
B. Barwick, H.S. Park, O. Kwon, J.S. Baskin, A.H. Zewail, Science 322, 1227 (2008).
A. Yurtsever, A.H. Zewail, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 3152 (2011).
D.R. Cremons, D.A. Plemmons, D.J. Flannigan, Nat. Commun. 7, 11230 (2016).
A. Feist, N. Rubiano da Silva, W. Liang, C. Ropers, S. Schäfer, Struct. Dyn. 5, 14302 (2018).
K.E. Echternkamp, A. Feist, S. Schäfer, C. Ropers, Nat. Phys. 12, 1000 (2016).
K.E. Priebe, C. Rathje, S.V. Yalunin, T. Hohage, A. Feist, S. Schäfer, C. Ropers, Nat. Photonics 11, 793 (2017).