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    高分辨率太赫茲驅動的原子探針層析成像

    材料科學家必須能夠使用原子尺度上的強電磁場對物質進行超快速控制,以了解固體中的電離動力學和激發。研究人員可以將皮秒持續時間的太赫茲脈沖耦合到金屬納米結構上,以產生極強的局部電場?,F在在有關科學進步的新報告中CNRS和法國大學研究所的Angela Vella以及一個研究小組控制了整個金屬納米尖端的場離子發射。太赫茲近場在亞皮秒級的時間尺度上引起表面原子作為離子的非熱超快蒸發,其尖端充當場放大器。超快太赫茲離子相互作用為超快自由離子脈沖提供了前所未有的控制,可在原子尺度上成像,分析和處理物質。在這項工作中,維拉等。演示了太赫茲原子探針顯微技術,是具有原子和化學分辨率的顯微術的新平臺。

    原子探針層析成像的基礎

    將電磁場耦合到固態納米結構以控制物質在納米尺度上的基本特性的能力越來越受到包括化學,催化,氣敏和超快電子顯微鏡和成像在內的各種應用的興趣。原子探針層析成像(APT)的基本原理涉及從尖銳的尖端向正離子發射場,這是一種基于強電場下納米針狀樣品中原子的受控場蒸發的成像技術。該技術之所以具有吸引力,是因為它能夠在空間的三個維度上提供亞納米級的空間分辨率,并且對整個周期元素及其同位素具有很高的化學敏感性。

    激光輔助原子探針斷層掃描

    首先,由于使用高壓脈沖觸發離子蒸發,因此原子探針層析成像方法僅限于導電材料。激光輔助原子探針層析成像技術(La-APT)的發展使人們能夠分析半導體和介電材料。在La-APT期間,科學家們通過高DC場和超短激光脈沖的組合作用,逐個原子地蒸發了樣品原子。由于現有的限制,基于太赫茲的APT進行高分辨率成像的潛力是非常有前途的,盡管對于深入了解太赫茲脈沖的基本物理學至關重要物質相互作用。研究人員表明,正偏壓納米尖端中太赫茲場的增強可觸發納米結構表面帶正電的離子的發射,從而提供了一種具有化學和空間分辨率的太赫茲輔助APT儀器。

    在實驗過程中,研究小組專注于在鋁制尖端上偏置了幾千伏特的雙色空氣等離子體產生的單周期強太赫茲場。他們將近紅外(NIR)脈沖與太赫茲脈沖組合在一起,并將其共線聚焦在偏置了幾千伏特的鋁尖端上。他們使用飛行時間測量來獲取質荷比,并從探測器系統上的撞擊位置利用反向投影定律重建蒸發量。。研究人員注意到在原子探針腔外通過電光采樣測量的兩個反向場方向或極性所產生的太赫茲脈沖的時間軌跡。Vella等。在NIR照明下,使用該場驅動負偏壓鋁電極頭的電子發射,從而測量了樣品頂點處的太赫茲場,以顯示該電極頭如何用作超快整流二極管。研究小組注意到,由于天線對尖端的響應,與入射的太赫茲脈沖存在相同的偏差。結果表明,太赫茲脈沖的幅度大約是入射太赫茲場的2000倍。為了比較場增強因子,該團隊使用了時域有限差分商業軟件Lumerical考慮尖端的幾何形狀。該團隊將太赫茲場的振幅增加到最大5.5 V / nm,以使用太赫茲脈沖執行離子場發射。然后,他們使用電子能量濾波實驗性地檢查了太赫茲近場的該值。

    研究太赫茲輔助APT中的鋁尖端及其雙頻激勵

    為了使用太赫茲脈沖執行離子場蒸發,Vella等人。將鋁頭以9 kV正偏置,并將具有正極性的太赫茲脈沖設置為最大振幅5.5 V / µm,對應于10.5 V / nm的近場??茖W家展示了使用太赫茲和NIR激光脈沖在相同偏置下獲得的質譜圖。使用NIR分析可以看出,蒸發體積的3-D重建顯示了三個晶體學方向的分辨良好的原子面。該團隊使用場腐蝕獲得了APT的圖像重建,并使用傅立葉變換計算了3-D圖像的空間分辨率方法。使用鋁尖端的雙頻激勵,他們記錄了蒸發速率與近紅外和太赫茲激光脈沖之間的延遲的關系。

    在太赫茲脈沖先于NIR脈沖的情況下,蒸發速率被認為是穩定的,其值等于僅通過太赫茲脈沖獲得的蒸發速率,因此不受NIR激光激發的影響。NIR和THz脈沖之間的時間重疊保持了不變的蒸發速率。當NIR脈沖在太赫茲脈沖之前時,蒸發速率在不到0.5皮秒的時間內上升到最大值。與近紅外脈沖相比,太赫茲脈沖輔助的潛在物理蒸發機制有助于原子探針的化學和空間分辨率。AI納米尖端中雙頻激發的結果為太赫茲脈沖無熱離子蒸發提供了實驗證明。

    外表

    這樣,安吉拉·維拉(Angela Vella)及其同事證明了通過尖端增強的單周期太赫茲脈沖,表面原子作為離子的超快,非熱場蒸發是如何為空間和化學分辨率的材料分析鋪平道路的。該方法還可以促進高電場中的時間分辨化學,以開辟新的場致化學方法。由單周期太赫茲脈沖產生的場蒸發離子的窄能量分布將為使用帶電粒子束進行成像,分析以及從微米級到納米級的物質修飾開辟道路。

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