Nieuwe analysemethode ontwikkeld voor nano- en quantummaterialen

Een slow-motionfilmpje op sporttelevisiezenders laat processen zien in honderdsten van een seconde. Processen op nanoschaal vinden daarentegen plaats in het zogenaamde femtoseconde bereik: een elektron heeft bijvoorbeeld slechts miljardsten van een seconde nodig om rond een waterstofatoom te cirkelen.

Natuurkundigen over de hele wereld gebruiken speciale instrumenten om zulke ultrasnelle nanoprocessen in films vast te leggen. Onderzoekers van de Universiteit van Kiel (CAU) hebben voor dergelijke films een nieuwe methode ontwikkeld die is gebaseerd op een ander fysisch concept en dus verdere en nauwkeurigere onderzoeksmogelijkheden biedt.

Om dit te doen, combineerden ze een elektronenmicroscoop met nanogestructureerde metalen dunne films die zeer korte lichtpulsen genereren. In een eerste experiment konden ze zo de coherente interacties van licht en elektronen in een halfgeleider op film documenteren. Hun resultaten worden gepubliceerd innatuur fysica.

Nieuwe methode is eenvoudiger en goedkoper

Tot nu toe werden films die ultrasnelle nanoprocessen laten zien meestal gemaakt met behulp van krachtige lasers in combinatie met elektronenmicroscopen. Maar slechts enkele onderzoeksgroepen kunnen zich de grote en complexe opstellingen veroorloven. “Ons concept vereist geen dure en gecompliceerde lasers en kan gemakkelijk worden gerepliceerd”, zegt Nahid Talebi, hoogleraar experimentele natuurkunde aan de CAU.

Elektronenmicroscopen bundelen elektronen tot een bundel, versnellen deze en richten deze op een materiaalmonster. Hoe de elektronen door het monster gaan of worden gereflecteerd, maakt conclusies mogelijk over de eigenschappen van de materialen en de processen binnenin.

“Elektronenmicroscopen hebben een aanzienlijk betere ruimtelijke resolutie dan optische microscopen en maken in de eerste plaats onderzoek in het nanometerbereik mogelijk”, zegt Talebi. De speciale componenten die ze heeft ontwikkeld, maken het relatief eenvoudig om ook de temporele resolutie van elektronenmicroscopen te verbeteren en om te zetten naar hun ultrasnelle versies. Hierdoor kunnen processen op nanoschaal nu ook zonder lasers worden vastgelegd in ultrasnelle films op de femtoseconde tijdschaal.

Met haar nieuwe publicatie laat Talebi niet alleen zien dat haar methode werkt. Samen met haar onderzoeksmedewerker Dr. Masoud Taleb levert ze ook experimenteel bewijs voor coherente interacties van fotonen en elektronen in een halfgeleider, die voorheen alleen theoretisch waren beschreven. Het hiervoor gebruikte kwantummateriaal wolfraamdiselenide, WSe2, is ontstaan ​​uit een samenwerking met professor Kai Rossnagel binnen het prioritaire onderzoeksgebied KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) van de universiteit van Kiel.

Nano-gestructureerd metaal genereert korte lichtpulsen

Een centraal onderdeel van Talebi’s concept is een speciale nanostructuur die lijkt op een keukenzeef. Het kan in een elektronenmicroscoop worden gestoken, waar het functioneert als een lichtbron, genaamd “EDPHS” (elektronengestuurde fotonenbron). Wanneer een elektronenstraal deze metalen structuur raakt, genereert het gatenpatroon gerichte, korte lichtpulsen waarmee snelle films kunnen worden gemaakt.

Om de bijzondere structuur te creëren boorden de onderzoekers kleine gaatjes van 25 tot 200 nanometer in een dunne goudfolie. Talebi had de grootte en afstanden precies berekend, want de lichtpulsen treden alleen op bij een bepaald gatenpatroon. De “nanozeven” werden geproduceerd in nauwe samenwerking met Dr. Mario Hentschel van de onderzoeksgroep van Prof. Harald Giessen, Universiteit van Stuttgart.

Samen met collega’s uit Amsterdam had Talebi eerder de elektronenmicroscoop zo aangepast dat hij kathodoluminescentie kan detecteren. Deze lichtsignalen worden gegenereerd wanneer snelle elektronen metaal raken.

Interacties tussen elektronen en fotonen gedocumenteerd in films

In het experiment dat in de huidige publicatie wordt beschreven, raken de korte lichtpulsen van de zeefachtige nanostructuren het halfgeleidermonster met de snelheid van het licht. Hier wekken ze excitonen op, zogenaamde quasideeltjes.

Dit zijn elektronen die zich hebben losgemaakt van een atoom en nog gekoppeld zijn aan het gat dat ze hebben gemaakt (“elektron-gatparen”). “Als korte tijd later de langzamere elektronenstraal ook het halfgeleidermonster raakt, kunnen we aan de reactie van de elektronen zien hoe de excitonen zich in de tussentijd hebben gedragen”, legt Talebi uit.

De resulterende kathodoluminescentiesignalen van de superpositie van de elektronenbundel en de lichtpulsen tonen een coherente interactie tussen elektronen en fotonen.

Om deze processen in een film te kunnen vangen, integreerden de onderzoekers ook een piëzo-elektrisch kristal in de microscoopopstelling. Hierdoor kunnen ze de ruimtelijke afstand tussen de lichtbron en het monster nauwkeurig veranderen, en daarmee ook de temporele afstand tussen de invallende lichtpulsen en de elektronen. “Op deze manier kunnen beelden in verschillende stadia van het proces worden gemaakt en tot een film worden samengevoegd”, vat Talebi samen.