De nouvelles recherches par des scientifiques du ministère de l'Énergie SLAC National Accelerator Laboratory et l'Université de Stanford montre comment des atomes individuels se déplacent en milliardièmes de seconde pour former des plis sur un matériau de trois-atome d'épaisseur.

Révélé par une nouvelle marque "Salle des électrons", un des plus rapides, ce niveau de détail sans précédent pourrait conduire les chercheurs à travers le monde dans le développement de cellules solaires efficaces, rapides et souples, de l'électronique et des catalyseurs chimiques de haute performance.



La percée pourrait prendre la science des matériaux à un tout nouveau niveau. Il a été rendu possible avec l'instrument au SLAC pour la diffraction d'électrons ultra-rapide, utilisant des électrons énergiques pour prendre des clichés de atomes et des molécules sur des échelles de temps plus rapides quadrillionths 100 de seconde.

Scientist Xijie Wang, UED équipe avantage de SLAC, a déclaré:

"Ceci est le résultat scientifique publiée avec notre nouvel outil. Il présente la méthode de combinaison exceptionnelle de résolution atomique, la vitesse et la sensibilité."

SLAC Directeur Chi-Chang Kao dit,

"Avec les données supplémentaires de laser à rayons X au SLAC Linac Coherent Source de lumière, UED crée des opportunités sans précédent pour la science-rapide à un large éventail de disciplines, de la science des matériaux à la chimie aux sciences de la vie."

Les propriétés des matériaux extraordinaires de deux dimensions

Des monocouches, des matériaux ou 2-D, contiennent seulement une seule couche de molécules. Cela peut prendre la forme de fonctionnalités nouvelles et passionnantes telles que la résistance mécanique supérieure et une extraordinaire capacité à conduire l'électricité et de la chaleur.

Mais comment ces monocouches acquièrent leurs caractéristiques uniques? Jusqu'à présent, les chercheurs ont eu seulement une vue limitée des mécanismes sous-jacents.

SLAC et Stanford chercheur Aaron Lindenberg, qui a dirigé l'équipe de recherche, a déclaré:

"La fonctionnalité des matériaux 2-D dépend de façon critique sur la façon dont leurs atomes se déplacent. Cependant, personne n'a été en mesure d'étudier le projet de résolution à l'échelle atomique et en temps réel avant. Nos résultats sont une étape importante vers des dispositifs l'ingénierie de la nouvelle génération à partir de matériaux monocouche ".

L'équipe de recherche a examiné le disulfure de molybdène, ou MoS2, qui est largement utilisé comme un lubrifiant, mais prend un certain nombre de comportement intéressant lorsqu'il est sous forme simple couche - plus de 150.000 fois plus fines qu'un cheveu humain.

Pour étudier les mouvements atomiques ultra-rapides en une seule couche de disulfure de molybdène, les chercheurs ont suivi une pompe-sonde d'approche: ils mouvements excités avec une impulsion laser et sondé les changements structurels induits par une impulsion laser subséquente d'électrons. Les électrons de la sonde de poignet diffusent hors atomes de la monocouche et forment un motif de dispersion sur le détecteur - un signal utilisé pour l'équipe de déterminer la structure monocouche. Enregistrement des modèles à différents retards entre la pompe et sonde impulsions, les scientifiques ont pu déterminer comment la structure atomique du film de disulfure de molybdène a changé au fil du temps. Crédit: SLAC

Par exemple, la monocouche de forme est normalement un isolant, mais une fois étirée, peut devenir conductrice de l'électricité. Ce comportement de commutation peut être utilisé dans minces, flexibles et électronique coder des informations dans les dispositifs de stockage de données.

Des couches minces de MoS2 sont à l'étude en tant que catalyseurs possibles qui facilitent les réactions chimiques. En outre, ils captent la lumière très efficacement et pourraient être utilisés dans les cellules solaires avenir.

En raison de cette forte interaction avec la lumière, les chercheurs ont constaté aussi peut être en mesure de manipuler les propriétés du matériau avec des impulsions de lumière.

L'auteur principal et chercheur de Stanford Ehren Mannebach, a déclaré:

«Pour concevoir les futurs appareils, les contrôler avec la lumière et créer de nouvelles propriétés grâce à des changements systématiques, nous devons d'abord comprendre les changements structurels de la monocouche à l'échelle atomique."

Caméra ultrarapide électronique révèle propositions

Les analyses précédentes ont montré que les différentes couches de disulfure de molybdène ont une surface ridée. Cependant, ces études ont fourni seulement une image statique. La nouvelle étude révèle pour la première fois que des ondulations surface va former et d'évoluer en réponse à la lumière laser.

Des chercheurs de SLAC placé leurs échantillons à une seule couche, qui ont été préparés par le groupe de Linyou Cao à North Carolina State University, dans un faisceau d'électrons de haute énergie.

Les électrons, qui sont fournis à impulsions ultracourtes, dispersent au large des atomes de l'échantillon et la production d'un signal d'un détecteur dont les scientifiques utilisent pour déterminer dans lequel des atomes sont situés en une seule couche. Cette technique est appelée diffraction d'électrons ultra-rapide.

L'équipe a ensuite utilisé des impulsions laser ultracourtes pour exciter les mouvements dans le matériau, ce qui amène le modèle de dispersion pour changer au fil du temps.

Résultats laser induit des mouvements d'atomes dans une monocouche de bisulfure de molybdène: L'impulsion laser crée les rides avec de grandes amplitudes - plus de 15 pour cent de l'épaisseur de la couche - qui se développent dans un milliardième de seconde. Crédit: K.-A. Duerloo / Stanford

"En combinaison avec les calculs théoriques, ces données montrent que les impulsions de lumière génèrent des rides qui ont de grandes amplitudes - plus de 15 pour cent de l'épaisseur du niveau -. Et se développent très rapidement, en environ un millième de milliardième de seconde Ceci est la première fois que quelqu'un a montré ces mouvements atomiques ultra-rapides ", a déclaré Lindenberg.

Une fois que les scientifiques comprennent mieux monocouches de matériaux différents, ils pourraient commencer à mettre ensemble et la conception de matériaux mixtes avec une toute nouvelle optique, mécanique, électronique et chimique.