Les chercheurs ont utilisé l'expérience du SLAC pour la diffraction ultrarapide des électrons (UED), l'une des « caméras à électrons » les plus rapides au monde pour prendre des instantanés d'une couche de trois atomes d'épaisseur d'un matériau prometteur lorsqu'elle se plisse en réponse à une impulsion laser. Comprendre ces ondulations dynamiques pourrait fournir des indices cruciaux pour le développement de cellules solaires de prochaine génération, électronique et catalyseurs. Crédit :SLAC National Accelerator Laboratory
De nouvelles recherches menées par des scientifiques du laboratoire national d'accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford montrent comment les atomes individuels se déplacent en milliers de milliardièmes de seconde pour former des rides sur un matériau de trois atomes d'épaisseur. Révélé par une toute nouvelle "caméra électronique, " l'un des plus rapides au monde, ce niveau de détail sans précédent pourrait guider les chercheurs dans le développement de cellules solaires efficaces, électronique rapide et flexible et catalyseurs chimiques haute performance.
La découverte, accepté pour publication le 31 août dans Lettres nano , pourrait amener la science des matériaux à un tout autre niveau. Cela a été rendu possible grâce à l'instrument du SLAC pour la diffraction ultrarapide des électrons (UED), qui utilise des électrons énergétiques pour prendre des instantanés d'atomes et de molécules sur des échelles de temps aussi rapides que 100 quadrillions de seconde.
"C'est le premier résultat scientifique publié avec notre nouvel instrument, " a déclaré le scientifique Xijie Wang, Chef d'équipe UED du SLAC. « Il présente la combinaison exceptionnelle de la méthode de résolution atomique, vitesse et sensibilité."
Le directeur du SLAC, Chi-Chang Kao, a déclaré :« Avec les données complémentaires de la source de lumière cohérente Linac laser à rayons X du SLAC, L'UED crée des opportunités sans précédent pour la science ultrarapide dans un large éventail de disciplines, de la science des matériaux à la chimie en passant par les biosciences. » LCLS est une installation utilisateur du DOE Office of Science.
Propriétés matérielles extraordinaires en deux dimensions
Monocouches, ou matériaux 2D, ne contiennent qu'une seule couche de molécules. Sous cette forme, ils peuvent acquérir des propriétés nouvelles et passionnantes telles qu'une résistance mécanique supérieure et une capacité extraordinaire à conduire l'électricité et la chaleur. Mais comment ces monocouches acquièrent-elles leurs caractéristiques uniques ? Jusqu'à maintenant, les chercheurs n'avaient qu'une vision limitée des mécanismes sous-jacents.
Visualisation des mouvements d'atomes induits par le laser (sphères noires et jaunes) dans une monocouche de bisulfure de molybdène :l'impulsion laser crée des rides de grande amplitude (plus de 15 % de l'épaisseur de la couche) qui se développent en un billionième de seconde. Crédit :K.-A. Duerloo/Stanford
"La fonctionnalité des matériaux 2D dépend de manière critique de la façon dont leurs atomes se déplacent, " a déclaré Aaron Lindenberg, chercheur au SLAC et à Stanford, qui a dirigé l'équipe de recherche. "Toutefois, personne n'a jamais été capable d'étudier ces mouvements au niveau atomique et en temps réel auparavant. Nos résultats sont une étape importante vers la conception de dispositifs de nouvelle génération à partir de matériaux monocouches. » L'équipe de recherche a examiné le bisulfure de molybdène, ou MoS2, qui est largement utilisé comme lubrifiant mais prend un certain nombre de comportements intéressants lorsqu'il est sous forme monocouche - plus de 150, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain.
Par exemple, la forme monocouche est normalement un isolant, mais une fois étiré, il peut devenir conducteur d'électricité. Ce comportement de commutation pourrait être utilisé dans des électronique flexible et pour coder des informations dans des dispositifs de stockage de données. Des films minces de MoS2 sont également à l'étude en tant que catalyseurs possibles qui facilitent les réactions chimiques. En outre, ils captent la lumière de manière très efficace et pourraient être utilisés dans de futures cellules solaires.
En raison de cette forte interaction avec la lumière, les chercheurs pensent également qu'ils pourraient être capables de manipuler les propriétés du matériau avec des impulsions lumineuses.
"Pour concevoir les futurs appareils, les contrôler avec la lumière et créer de nouvelles propriétés par des modifications systématiques, il faut d'abord comprendre les transformations structurelles des monocouches au niveau atomique, " a déclaré Ehren Mannebach, chercheur à Stanford, l'auteur principal de l'étude.
La caméra électronique révèle des mouvements ultrarapides
Des analyses antérieures ont montré que des couches simples de bisulfure de molybdène ont une surface ridée. Cependant, ces études n'ont fourni qu'une image statique. La nouvelle étude révèle pour la première fois comment les ondulations de surface se forment et évoluent en réponse à la lumière laser.
Les chercheurs du SLAC ont placé leurs échantillons monocouches, qui ont été préparés par le groupe de Linyou Cao à la North Carolina State University, en un faisceau d'électrons très énergétiques. Les électrons, qui viennent groupés en impulsions ultracourtes, disperser les atomes de l'échantillon et produire un signal sur un détecteur que les scientifiques utilisent pour déterminer où se trouvent les atomes dans la monocouche. Cette technique est appelée diffraction électronique ultrarapide.
L'équipe a ensuite utilisé des impulsions laser ultracourtes pour exciter les mouvements dans le matériau, ce qui fait que le modèle de diffusion change au fil du temps.
Pour étudier les mouvements atomiques ultrarapides dans une seule couche de bisulfure de molybdène, les chercheurs ont suivi une approche pompe-sonde :ils ont excité des mouvements avec une impulsion laser (impulsion de pompe, rouge) et sondé les changements structurels induits par le laser avec une impulsion électronique subséquente (impulsion de sonde, bleu). Les électrons de l'impulsion de la sonde se dispersent sur les atomes de la monocouche (sphères bleues et jaunes) et forment un motif de diffusion sur le détecteur – un signal que l'équipe a utilisé pour déterminer la structure de la monocouche. En enregistrant des modèles à différents délais entre les impulsions de la pompe et de la sonde, les scientifiques ont pu déterminer comment la structure atomique du film de bisulfure de molybdène a changé au fil du temps. Crédit :SLAC National Accelerator Laboratory
"Combinés à des calculs théoriques, ces données montrent comment les impulsions lumineuses génèrent des rides qui ont de grandes amplitudes - plus de 15 pour cent de l'épaisseur de la couche - et se développent extrêmement rapidement, en un billionième de seconde environ. C'est la première fois que quelqu'un visualise ces mouvements atomiques ultrarapides, " a déclaré Lindenberg.
Une fois que les scientifiques auront mieux compris les monocouches de différents matériaux, ils pourraient commencer à les assembler et concevoir des matériaux mélangés avec une optique complètement nouvelle, mécanique, propriétés électroniques et chimiques.
