На электронном ускорителе DESY REGAE (Relativistic Electron Gun for Atomic Exploration - Релятивистская электронная пушка для исследования атомов) исследователи разработали новый метод определения детальной атомной структуры материалов с использованием высокоэнергетических электронов, дифрагирующих на образце. Метод, описанный в статье (DOI: 10.1107/S2052252526002782) в журнале IUCrJ "Electron Crystallography" Международного союза кристаллографии, впервые позволяет применить высокую чувствительность электронной дифракции к более толстым образцам, что до сих пор было недоступно для традиционной электронной дифракции.

Измерительная установка в камере для образцов REGAE, совместимая со сверхвысоким вакуумом. Фото: DESY

Метод дифракции высокоэнергетических электронов позволяет сочетать преимущества дифракции электронов — такие как значительное снижение эффектов радиационного повреждения и улучшенная видимость легких атомов — с гораздо более толстыми образцами. Это открывает путь к исследованию процессов — таких как процессы химического катализа и зарядки и разрядки батарей — в реальных, так называемых «оперативных» условиях, и, таким образом, позволяет гораздо лучше понять специфическую роль легких атомов, таких как водород и литий, в этих процессах.

Дифракция электронов — это очень перспективный и быстро развивающийся метод определения структуры с высоким разрешением, особенно для радиочувствительных материалов, образцов нанометрового размера или образцов, которых доступно лишь крайне малое количество. Однако из-за сильного взаимодействия электронов с образцом традиционная дифракция электронов ограничена исследованием очень тонких образцов толщиной, как правило, менее 200 нанометров, что в настоящее время препятствует более широкому применению этого метода. Команда на REGAE преодолела это ограничение и смогла получить структурные данные из гораздо более толстых образцов с очень высоким качеством, которое в противном случае было бы достижимо только с помощью рентгеновских синхротронных источников. Они использовали ускоритель для генерации сверхкоротких электронных импульсов с энергией в диапазоне МэВ. В сочетании с другими инновациями, такими как специально разработанная измерительная установка и высокочувствительный детектор, ученые смогли определить трехмерные структуры квантового материала 1T-TaS2 и слоистого силиката.

Это первый случай использования дифракции высокоэнергетических электронов для определения полных трехмерных атомных структур с такой степенью детализации. Результаты показывают, что даже тонкие структурные особенности, такие как чрезвычайно сложная структура квантового материала 1T-TaS₂, могут быть разрешены с высокой точностью. Особо следует отметить также чрезвычайно хорошую видимость атома водорода в структуре мусковита, которую в противном случае можно определить с такой детализацией только с помощью значительно более сложного метода нейтронной дифракции. Понимание атомной структуры имеет важное значение для разработки новых материалов. Метод позволяет нам анализировать образцы, которые ранее было трудно или невозможно изучать с помощью дифракции электронов.

Ключ к успеху - исключительное качество электронного пучка REGAE. Ускоритель генерирует сверхкороткие импульсы с очень низкой эмиттансом. Низкая эмиттансность пучка имеет решающее значение для достижения необходимой когерентности для получения высокого разрешения. Качество пучка позволяет регистрировать дифракционные данные с точностью, необходимой для надежного определения структуры. Новая методика дополняет существующие крупномасштабные исследовательские инфраструктуры как источники синхротронного излучения и рентгеновские лазеры. Она открывает новые экспериментальные возможности, позволяющие проводить измерения в очень разбавленных и тонких образцах и дополняющие имеющиеся аналитические возможности.