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研究团队开发出一种新的方法来研究材料表面的原子结构

2021-5-31 09:41| 发布者: vantsing| 查看: 2089| 评论: 0

摘要: 耶拿大学激光实验室当前研究的第一作者Tobias Helk和Frederik Tuitje博士 化学反应,例如在对电池充电和放电时发生的化学反应,主要发生在表面和界面上。虽然很容易研究反应的宏观产物,但迄今为止,很难获得更精确 ...

耶拿大学激光实验室当前研究的第一作者Tobias HelkFrederik Tuitje博士

 

  化学反应,例如在对电池充电和放电时发生的化学反应,主要发生在表面和界面上。虽然很容易研究反应的宏观产物,但迄今为止,很难获得更精确的原子级化学反应过程图。这需要测量方法,以允许在极短的时间范围内观察发生化学反应的方法。


  原则上,用于时间分辨率的具有非常短的激光脉冲的光谱方法适合于此。同时,激光必须具有非常短的波长,正如弗里德里希·席勒大学耶拿分校的物理学家托比亚斯·赫尔克(Tobias Helk)解释的那样:“为了能够利用核心电子共振来具体研究单个元素,波长为几纳米的激光是必需的,即光谱的极紫外(XUV)或X射线范围内的辐射。”


  Helk补充说,要观察化学过程,研究介质与发生化学反应的材料表面之间的界面也很重要。除了较短的波长和较短的持续时间外,激光脉冲还必须具有极高的强度,以能够引起非线性效应,如所称的那样,从而可以将测量信号追溯到界面。


  但是,到目前为止,几乎没有方法可以在XUVX射线范围内产生如此强的激光辐射。耶拿大学光学与量子电子研究所的克里斯蒂安·斯皮尔曼教授说:“直到现在,只有在大型研究机构,例如DESYFLASH自由电子激光器中,才有可能做到这一点。”但是,他和他的团队以及来自美国和法国的研究人员现在已经找到了一种方法,可以在标准的激光实验室中进行此类研究。

 

钛表面上的非线性倍频

  为此,使用了来自法国的软X射线激光作为光源。该研究的主要作者赫尔克博士说:“在我们的实验中,我们建立了一个特殊的聚焦几何形状,它由椭圆形的镜子组成,使我们能够将激光辐射集中在很小的区域上。”将波长为32.8纳米的辐射聚焦在超薄钛箔上,并分析其与物质颗粒的非线性相互作用。


  赫尔克解释说:“正如从可见光和红外范围的辐射的研究中已经知道的那样,可以通过光粒子与物质粒子的相互作用来产生具有新特性的光。”例如,在称为非线性倍频(或二次谐波生成)的过程中,被辐射的光的两个光子被材料吸收,并发射出频率为两倍(能量为两倍)的光子。


  研究人员能够证明的正是这种效果。他们使用光谱仪分离了与钛箔相互作用产生的辐射,并使用相机对其进行了记录。通过将模拟结果与测量结果进行比较,他们还能够证明所产生的辐射起源于钛箔的表面而不是材料内部。


  “能够在实验室规模的XUV范围内执行这种形式的表面光谱学,开辟了全新的视野。例如,现在可以在复杂的化学环境中从单个原子的角度研究表面或隐藏界面上的化学过程。”加利福尼亚大学的迈克尔·祖尔奇(MichaelZürch)描述了结果的重要性。此外,所用脉冲的短持续时间使得能够研究界面处的动态过程,例如在电池充电和放电期间发生的那些过程。


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