Los investigadores han utilizado el experimento de SLAC para la difracción de electrones ultrarrápida (UED), una de las 'cámaras electrónicas' más rápidas del mundo para tomar instantáneas de una capa de tres átomos de espesor de un material prometedor mientras se arruga en respuesta a un pulso láser. Comprender estas ondas dinámicas podría proporcionar pistas cruciales para el desarrollo de células solares de próxima generación, electrónica y catalizadores. Crédito:Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC
Una nueva investigación dirigida por científicos del Laboratorio Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford muestra cómo los átomos individuales se mueven en billonésimas de segundo para formar arrugas en un material de tres átomos de espesor. Revelado por una nueva "cámara de electrones, "uno de los más rápidos del mundo, Este nivel de detalle sin precedentes podría orientar a los investigadores en el desarrollo de células solares eficientes. Electrónica rápida y flexible y catalizadores químicos de alto rendimiento.
El gran avance aceptado para su publicación el 31 de agosto en Nano letras , podría llevar la ciencia de los materiales a un nivel completamente nuevo. Fue posible con el instrumento de SLAC para difracción ultrarrápida de electrones (UED), que utiliza electrones energéticos para tomar instantáneas de átomos y moléculas en escalas de tiempo tan rápido como 100 cuatrillonésimas de segundo.
"Este es el primer resultado científico publicado con nuestro nuevo instrumento, "dijo el científico Xijie Wang, Líder del equipo UED de SLAC. "Muestra la excelente combinación del método de resolución atómica, velocidad y sensibilidad ".
El director de SLAC, Chi-Chang Kao, dijo:"Junto con los datos complementarios de la fuente de luz coherente Linac láser de rayos X de SLAC, UED crea oportunidades sin precedentes para la ciencia ultrarrápida en una amplia gama de disciplinas, desde la ciencia de los materiales hasta la química y las biociencias ". LCLS es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
Propiedades extraordinarias del material en dos dimensiones
Monocapas, o materiales 2-D, contienen solo una capa de moléculas. De esta forma, pueden adquirir propiedades nuevas y emocionantes, como una resistencia mecánica superior y una capacidad extraordinaria para conducir la electricidad y el calor. Pero, ¿cómo adquieren estas monocapas sus características únicas? Hasta ahora, los investigadores solo tenían una visión limitada de los mecanismos subyacentes.
Visualización de movimientos de átomos inducidos por láser (esferas negras y amarillas) en una monocapa de disulfuro de molibdeno:el pulso láser crea arrugas con grandes amplitudes, más del 15 por ciento del espesor de la capa, que se desarrollan en una billonésima de segundo. Crédito:K.-A. Duerloo / Stanford
"La funcionalidad de los materiales 2-D depende fundamentalmente de cómo se mueven sus átomos, "dijo el investigador de SLAC y Stanford Aaron Lindenberg, quien dirigió el equipo de investigación. "Sin embargo, nadie ha podido estudiar estos movimientos a nivel atómico y en tiempo real antes. Nuestros resultados son un paso importante hacia la ingeniería de dispositivos de próxima generación a partir de materiales de una sola capa ". El equipo de investigación analizó el disulfuro de molibdeno, o MoS2, que se usa ampliamente como lubricante, pero adquiere una serie de comportamientos interesantes cuando está en forma de una sola capa:más de 150, 000 veces más delgado que un cabello humano.
Por ejemplo, la forma monocapa es normalmente un aislante, pero cuando estirado, puede volverse eléctricamente conductor. Este comportamiento de conmutación podría utilizarse en finos, electrónica flexible y para codificar información en dispositivos de almacenamiento de datos. También se están estudiando películas delgadas de MoS2 como posibles catalizadores que faciliten las reacciones químicas. Además, capturan la luz de manera muy eficiente y podrían usarse en futuras células solares.
Debido a esta fuerte interacción con la luz, los investigadores también creen que pueden manipular las propiedades del material con pulsos de luz.
"Para diseñar dispositivos futuros, controlarlos con luz y crear nuevas propiedades mediante modificaciones sistemáticas, primero debemos comprender las transformaciones estructurales de las monocapas a nivel atómico, "dijo el investigador de Stanford Ehren Mannebach, el autor principal del estudio.
La cámara de electrones revela movimientos ultrarrápidos
Los análisis anteriores mostraron que las capas individuales de bisulfuro de molibdeno tienen una superficie arrugada. Sin embargo, estos estudios solo proporcionaron una imagen estática. El nuevo estudio revela por primera vez cómo se forman y evolucionan las ondas superficiales en respuesta a la luz láser.
Los investigadores de SLAC colocaron sus muestras de monocapa, que fueron preparados por el grupo de Linyou Cao en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, en un haz de electrones muy energéticos. Los electrones que vienen agrupados en pulsos ultracortos, dispersar los átomos de la muestra y producir una señal en un detector que los científicos utilizan para determinar dónde se encuentran los átomos en la monocapa. Esta técnica se llama difracción de electrones ultrarrápida.
Luego, el equipo utilizó pulsos de láser ultracortos para excitar los movimientos en el material, lo que hace que el patrón de dispersión cambie con el tiempo.
Para estudiar los movimientos atómicos ultrarrápidos en una sola capa de disulfuro de molibdeno, Los investigadores siguieron un enfoque de bomba-sonda:excitaron los movimientos con un pulso láser (pulso de bomba, rojo) y sondeó los cambios estructurales inducidos por láser con un pulso de electrones posterior (pulso de sonda, azul). Los electrones del pulso de la sonda se dispersan de los átomos de la monocapa (esferas azul y amarilla) y forman un patrón de dispersión en el detector, una señal que el equipo utilizó para determinar la estructura de la monocapa. Al registrar patrones en diferentes retrasos de tiempo entre la bomba y los pulsos de la sonda, los científicos pudieron determinar cómo la estructura atómica de la película de disulfuro de molibdeno cambió con el tiempo. Crédito:Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC
"Combinado con cálculos teóricos, Estos datos muestran cómo los pulsos de luz generan arrugas que tienen grandes amplitudes, más del 15 por ciento del grosor de la capa, y se desarrollan extremadamente rápido. en aproximadamente una billonésima de segundo. Esta es la primera vez que alguien ha visualizado estos movimientos atómicos ultrarrápidos, ", Dijo Lindenberg.
Una vez que los científicos comprendan mejor las monocapas de diferentes materiales, podrían comenzar a ensamblarlos y diseñar materiales mixtos con ópticas completamente nuevas, mecánico, propiedades electrónicas y químicas.
