Het verzamelen van heliumdiffractiepatronen in microscopische gebieden van monsters

Recente wetenschappelijke ontwikkelingen hebben nieuwe mogelijkheden geopend voor de nauwkeurige observatie van fysische verschijnselen. Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge en de Universiteit van Newcastle hebben onlangs een nieuwe methode geïntroduceerd om de diffractie van heliumatomen te meten met microscopische ruimtelijke resolutie.

Deze methode, beschreven in een krant in Fysieke beoordelingsbrievenstelt natuurkundigen in staat elektronengevoelige materialen te bestuderen en hun morfologie beter te begrijpen met behulp van heliummicrodiffractie.

“De scanning-heliummicroscoop wordt al meer dan tien jaar door verschillende onderzoeksgroepen ontwikkeld met de nadruk op het verbeteren van de resolutie van het instrument en het bestuderen van technologische en biologische monsters”, vertelde Matthew Bergin, co-auteur van het artikel, aan Phys.org. “Er was echter relatief weinig werk gedaan aan het gebruik van het materiegolfaspect van de heliumbundel om geordende oppervlakken te bestuderen met een scannende heliummicroscoop.”

Het recente onderzoek van Bergin en zijn collega’s bouwt voort op een van hun bevindingen eerdere papieren gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten in 2020. In dit eerdere werk observeerden de onderzoekers de signatuur van diffractie vanaf een microscopisch klein plekje op een monster, maar konden ze het onderliggende diffractiepatroon niet direct meten.

In hun nieuwe artikel willen ze hun werk op dit gebied voortzetten. Het onderliggende doel van hun onderzoek was om aan te tonen dat een op atomen gebaseerde materiegolf kan worden gebruikt om een ​​diffractiepatroon te vormen uit ruimtelijk opgeloste gebieden van een oppervlak.

“Vanwege de deeltjes-golf dualiteit van atomen kan een heliumbundel gericht op een rooster zich gedragen als een golf en afwijken van de periodieke structuur”, aldus Bergin. “Thermische energie-heliumatomen bezitten zo’n lage energie (<100meV) dat het verkregen diffractiepatroon gegarandeerd uniek gevoelig is voor de oppervlaktestructuur.

“Heliumatoomverstrooiing is een beproefde techniek die de positie en intensiteit van deze diffractiepieken gebruikt om een ​​monsteroppervlak te bestuderen, maar tot nu toe zijn deze onderzoeken beperkt tot homogene kristallen die minstens enkele millimeters groot zijn.”

In hun experimenten gebruikten Bergin en zijn collega’s een heliumscanmicroscoop die een gaatje gebruikt om een ​​heliumbundel te collimeren. Met deze microscoop en een zorgvuldig ontworpen strategie waren ze in staat diffractiepatronen te verzamelen uit een klein gebied (~10um) van een monster, ondanks het gebruik van een vaste detector.

“Door het instrument zorgvuldig te kalibreren, kunnen we de positionerings- en rotatiefasen van het monster verplaatsen om de uitgaande detectiehoek en de azimut van het monster te variëren, terwijl we dezelfde plek verlichten”, legt Bergin uit. “Het resultaat is dat we een exclusief oppervlaktegevoelig diffractiepatroon kunnen bouwen op basis van het kleine, verlichte gebied van het monster.”

Het recente werk van dit onderzoeksteam demonstreert de haalbaarheid van het gebruik van atomen om een ​​diffractiepatroon te verzamelen uit een microscopisch klein gebied op het oppervlak van een monster. Hun voorgestelde methode zou door andere natuurkundigen kunnen worden gebruikt om diffractiepatronen te bestuderen en nieuwe inzichten te verwerven over materialen die niet nauwkeurig kunnen worden onderzocht met behulp van conventionele atoomverstrooiingstechnieken.

“De ruimtelijk opgeloste mogelijkheden van het instrument, gecombineerd met de uitstekende oppervlaktegevoeligheid, stellen ons nu in staat atoomverstrooiing te gebruiken om de materiaaleigenschappen van kleine monsters met interessante oppervlaktekenmerken, zoals vlokken van 2D-materialen, te meten”, voegde Bergin eraan toe.

“Aan de Universiteit van Cambridge is al begonnen met het toepassen van de techniek om diffractie van vlokken 2D-materiaal te meten. Ondertussen ontwikkelen collega’s van de Universiteit van Newcastle een nieuwe meetfase die de detector direct kan bewegen om diffractiepatronen te verzamelen zonder enige vorm van complexe kalibratie of manipulatie van het monster.”