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IJMSD | 北京理工大学姜澜教授团队:基于超快电子成像的电子-晶格动力学:原理与应用

已有 1146 次阅读 2023-10-23 21:43 |个人分类:IJMSD|系统分类:论文交流

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图 文 导 读

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图1 Graphical abstract

该文亮点:

1. 回顾了电子-晶格相互作用动力学的发展历程,阐明了超快电子成像的必要性和优势;

2.分析了3种典型超快电子成像方法的原理及装置,即,时间分辨光发射电子显微镜(time-resolved photoemission electron microscopy, TR-PEEM)、扫描超快电子显微镜(scanning ultrafast electron microscopy, SUEM)和超快透射电子显微镜(ultrafast transmission electron microscopy, UTEM),并总结了光与电子相互作用、载流子输运和弛豫、电子晶格耦合和晶格振荡等方面的典型成果;

3.展望了超快电子成像发展趋势,指出发展更高时空分辨能力的超快电子成像方法在多场耦合下的复杂动力学研究中具有广阔前景。

Highlights:

1. The historical development of electron-lattice interaction dynamics is reviewed and the necessity and advantages of ultrafast electron imaging are elucidated.

2. The principles and apparatus of three typical ultrafast electron imaging methods (TR-PEEM, SUEM, UTEM) are analyzed, and some key achievements in the areas, such as light-electron interaction, charge carrier transport and relaxation, electron-lattice coupling, and lattice oscillations, are summarized.

3. The future trends in ultrafast electron imaging are outlined, proposing the development of ultrafast electron imaging methods with higher spatiotemporal resolution, and emphasizing the promising prospects in studying complex dynamics under multi-field coupling.

电子-晶格的结构演化决定物质的宏观性质。探索其动力学过程有助于理解物质的宏观物理、化学和生物特性,推动应用技术的发展。电子-晶格的相互作用特征时间在飞秒至皮秒量级,线性和非线性过程并存,且伴随纳米尺度的空间演化。泵浦探测方法能够满足探测的时间分辨要求,但存在由光学衍射极限导致空间分辨率不足的缺陷。为提升电子-晶格动力学过程的空间分辨能力,通过电子束成像结合高时空分辨率脉冲激光的方法近年来取得了不少突破。为提升电子-晶格动力学过程的空间分辨能力,通过电子束成像结合高时空分辨率脉冲激光的方法近年来取得了不少突破,成为了基础研究和应用验证的重要手段。然而,不同物质本征状态及超快过程特性导致成像策略发生变化,现有的研究更关注单一成像方法或单一物质的进展。在广泛的体系中,如何适配成像策略与研究对象,从而解决电子-晶格动力学中的核心问题成为了关键。

北京理工大学姜澜教授团队在《国际机械系统动力学学报(英文)》(International Journal of Mechanical System Dynamics, IJMSD)发表题为“Probing electron and lattice dynamics through ultrafast electron microscopy: Principles and applications”的综述。该文详述了电子-晶格动力学的时空特性,提出了使用超快电子进行高时空分辨成像是解析纳米尺度超快电子-晶格演化关键的观点。并根据不同的成像原理和应用场景,介绍了时间分辨光发射电子显微镜(TR-PEEM)、扫描超快电子显微镜(SUEM)及超快透射电子显微镜(UTEM)3种典型的超快电子成像方法。内容涉及:(1)使用TR-PEEM研究近场增强和退相干性质的关联性,以及对表面等离激元传播过程成像;(2)使用SUEM揭示硅、InGaN、单晶中的载流子弛豫/扩散动力学;(3)使用UTEM解析过渡金属二卤化物中的晶格振动,金属中的马氏体相变及纳米颗粒的受激团聚现象。该文以电子-晶格动力学的研究为目标,系统总结了超快电子成像的原理、方法及关键技术,对前沿基础科学和国家重大应用中的超快研究需求具有重要指导作用。

Abstract:Microscale charge and energy transfer is an ultrafast process that can determine the photoelectrochemical performance of devices. However, nonlinear and non-equili-brium properties hinder our understanding of ultrafast processes; thus, the direct imaging strategy has become an effective means to uncover ultrafast charge and energy transfer processes. Due to diffraction limits of optical imaging, the obtained optical image has insufficient spatial resolution. Therefore, electron beam imaging combined with a pulse laser showing high spatial-temporal resolution has become a popular area of research, and numerous breakthroughs have been achieved in recent years. In this review, we cover three typical ultrafast electron beam imaging techniques, namely, time-resolved photoemission electron microscopy, scanning ultrafast electron microscopy, and ultrafast transmission electron microscopy, in addition to the principles and characteristics of these three techniques. Some outstanding results related to photon-electron interactions, charge carrier transport and relaxation, electron-lattice coupling, and lattice oscillation are also reviewed. In summary, ultrafast electron beam imaging with high spatial-temporal resolution and multidimensional imaging abilities can promote the fundamental under-standing of physics, chemistry, and optics, as well as guide the development of advanced semiconductors and electronics.

Keywords:

ultrafast electron imaging, charge transfer, time‐r esolved photoemission electron microscopy, scanning ultrafast electron microscopy, ultrafast transmission electron microscopy

DOI: 10.1002/msd2.12081

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Cite this article: Lian Y, Sun J, Jiang L. Probing electron and lattice dynamics by ultrafast electron microscopy: principles and applications. Int J Mech Syst Dyn. 2023;3(3):192‐212.

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作 者 简 介

33.jpg连易灵   北京理工大学机械与车辆学院博士研究生。主要研究方向为:超快载流子/等离子体/冲击波动力学观测,微/纳米尺度热传导。


44.jpg孙靖雅   北京理工大学研究员、博士生导师,国家高层次青年人才。主要研究方向为:微纳光电材料和器件中载流子动力学的四维原位研究,飞秒激光加工中复杂动力学的多尺度观测与调控。主持国家自然科学基金等项目,发表SCI论文40余篇。指导学生获上银优博第十二届佳作奖。


55.jpg姜  澜    北京理工大学副校长、首批讲席教授,入选长江学者特聘教授(2006)、国家首批科技领军(2013)等。获批973首席(结题优秀)、杰青(结题特优)等。在飞秒激光制造领域取得了系统的创造性成果,解决了长期制约该领域的理论和技术瓶颈难题,率先实现了飞秒激光加工不可替代的重大应用及其规模化产业应用,为37个国家重大装备/科技工程奠定了关键制造基石。发表SCI论文343篇,SCI他引11627次,授权发明专利123项,作主流学术会议Keynote/Plenary报告23次。获国家自然科学奖二等奖(排1,2016)、何梁何利科技创新奖(2017)、教育部技术发明奖一等奖(排1,2018)、广东省科技进步奖一等奖(排1,2022)、全国创新争先奖状(2023)等。任“增材制造与激光制造”国家重点专项总体专家组组长等,牵头撰写了激光制造等方向国家中长期科技发展规划和科技部、基金委、军科委等五年领域规划12项。任Science合作期刊Research等11个期刊编委/副主编。入选美国加州大学伯克利Springer Professor (荣誉杰出教授)、美国机械工程学会(ASME)会士、美国光学学会(OSA)会士等。

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期 刊 简 介

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IJMSD由来自18个国家的21位院士、17位国际学会主席、20位国际期刊主编等69位科学家和国际出版巨头美国Wiley出版社合作创办主编为国际机械系统动力学学会(International Society of Mechanical System Dynamics, ISMSD)主席、中国科学院院士、南京理工大学芮筱亭院士,3位合作主编为加拿大工程院院士、欧洲科学院院士、加拿大麦吉尔大学Marco Amabili院士,国际理论与应用力学联盟(International Union of Theoretical and Applied Mechanics, IUTAM)前司库、国际多体系统动力学协会(International Association for Multibody System Dynamics, IMSD)前主席、德国斯图加特大学Peter Eberhard教授和美国工程院及科学院院士、欧洲科学院外籍院士、英国皇家学会外籍院士、中国科学院外籍院士、美国工程科学协会前主席、美国西北大学Yonggang Huang

IJMSD旨在用机械系统动力学科学与技术为现代装备设计、制造、试验、评估和使用全生命周期性能的提升提供先进的理论、软件、方法、器件、标准,为全球科学家和工程专家提供广泛的机械系统动力学国际交流平台。IJMSD强调从“系统”视角及系统级工具理解动力学,所涉及的机械系统不仅包括各种不同尺度的机械系统和结构,还包括具有多物理场/多学科特征的综合机械系统。

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