科學家採用一種新方法來觀測納米線的生長

在一項新研究中，美國能源部（DOE）阿貢和布魯克海文國家實驗室的研究人員們觀察到單個納米線中兩種缺陷的形成，這些納米線的直徑比人的頭髮還細。

由砷化銦鎵製成的這些納米線在一種科學家們稱之為光電子學的領域局具有大範圍的應用，光電子學包括通過將光能轉換為電脈衝而工作的器件。光纖繼電器就是一個很好的例子。

但是，這些設備的有效性可能會受到其組件微小缺陷的影響。這些缺陷可以改變這些材料的光學和電子特性，一些科學家們試圖調整它們以促進未來光電子學的功能，包括能夠操縱量子信息的材料。

在這項研究中（Nano Letters，「Measuring Three-Dimensional Strain and Structural Defects in a Single InGaAs Nanowire Using Coherent X-ray Multiangle Bragg Projection Ptychography」），該團隊還包括了西北大學和兩所歐洲大學的合作者，觀察單個納米線中的各兩種缺陷。第一種缺陷由應變引起，它會影響整個納米線，阻止納米線完全地沿直線生長。第二種稱為堆垛層錯的缺陷發生在接近原子水平，原子的各個平面被堆疊以延長納米線的長度。

阿貢和布魯克海文的研究人員們觀察到如圖所示的單個納米線中形成的兩種缺陷。這些納米線的直徑比人的頭髮還細。（圖片來源：梅根希爾/西北大學）

阿貢國家實驗室的材料科學家、本論文的研究作者Stephan Hruszkewycz說：「為了具象堆垛層錯和應變之間的差異，你可以考慮洗一副撲克牌。」 「當整副牌中的一張牌被不完美地洗牌時發生堆垛錯誤 - 就好像來自右手的是兩張牌，在此之前的一張牌來自左手。」

Hruszkewycz解釋說，「應變，看起來就好像一副撲克牌堆疊的塔在某個方向傾斜，而不是站得很直。」

由於堆垛層錯和應變發生在不同尺度，因此了解它們如何相互作用以改變納米線的特性需要科學家使用複雜的成像技術和複雜的數學演算法。

通過使用稱為Bragg ptychography的技術來觀察這些缺陷，阿貢國家實驗室研究人員們創造了一種方法，可以使用該方法在其操作環境中查看納米線。

「我們已經開發出一種技術，可以讓我們調查材料中的實際局部結構，」Hruszkewycz說。 「這將使我們能夠對人們提出的理論進行量化的比較，這些理論描述了這些缺陷不僅會影響納米線，而且還影響到納米線作為一部分的整個器件的性能。」

美國西北大學材料科學教授Lincoln Lauhon說：「該方法提供了納米尺度缺陷結構與較長尺度上的應變變化之間的關係這一缺失的一環，這將使我們能夠更好地控制納米線的光電特性。

在布拉格疊層成像中，研究人員將X射線束照射在整個材料上的一系列重疊點上，就像舞台上緩緩移動聚光燈穿過舞台。由X射線原子散射產生的信息為研究人員們提供了接近原子解析度的材料三維視圖。研究人員們在美國能源部科學用戶設施辦公室的國家同步輻射光源II（NSLS-II）上使用布魯克海文的硬X射線納米探針技術。

該論文的作者、布魯克海文導向光束線科學家Yong Chu說：「束線3-ID能夠產生連貫的納米聚焦光束，因此它非常適合用布拉格疊層成像這樣的技術重建圖像。「這次合作對於推進NSLS-II的布拉格疊層成像能力以及我們對納米線的理解非常有價值。」

最近科學家們改進了生成圖像的演算法，這一改進極大地改變了X射線信息收集過程。Hruszkewycz和他的合作者可以更自由地移動他們的X射線束，從他們的樣本中收集有用的信息，而不必像以前的疊層成像研究那樣採用逐點網格方法。「這就好比不做一個非常簡單和重複的行列舞，我們所要做的就是確保我們的腳在某一時刻放在舞池的每個部分上，」他說。

這種靈活性還有另一個優點：它允許研究人員們使用更小的光斑尺寸照射較小的特徵 - 大部分由X射線波帶片實現，所述X射線波帶片由阿貢高級光子源物理學家Michael Wojcik製作。這些波帶片是由幾個徑向對稱的環組成的衍射光學元件，稱為帶，在不透明和透明之間交替。它們間隔開，使得由透明區域透射的光有益地干涉所需的焦點。

「當我們試圖擊中目標時，我們並不必成為羅賓漢，」Hruszkewycz說, 「我們必須足夠接近才能擊中目標上的某個位置；我們不必拆分眾所周知的靶子上的箭頭。」

資料來源：阿貢國家實驗室提供的材料。 注意：可以根據樣式和長度編輯內容。

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