石墨烯層可以作為電子束的鏡子，這是物理學(xué)家Dani?l Geelen和同事使用一種新型電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)的，其研究結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上。這種新技術(shù)稱為“eV-TEM”，這是電子顯微鏡的一種新變體，它能將電子束對(duì)準(zhǔn)樣品，以便對(duì)其成像。

低能量電子

根據(jù)量子力學(xué)定律，電子也是波，就像可見(jiàn)光一樣，但是波長(zhǎng)要短得多。正因?yàn)槿绱?，與光學(xué)顯微鏡相比，可以成像更小的細(xì)節(jié)。然而，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，電子沖擊通常會(huì)損壞樣品。這是Dani?l Geelen，Johannes Jobst，Sense Jan van der Molen和Rudolf Tromp使用慢電子的原因之一，只攜帶幾個(gè)電子伏特(eV，因此稱為“eV-TEM”)的低能量電子，而不是通常的數(shù)萬(wàn)或數(shù)十萬(wàn)電子伏特。

石墨烯中的電子

多年以來(lái)，該小組運(yùn)行由IBM的Tromp開(kāi)發(fā)LEEM(低能電子顯微鏡)，可以對(duì)反射的電子進(jìn)行成像。Geelen增強(qiáng)了儀器，使其有可能成像通過(guò)樣品的電子，即“透射”，這使儀器在透射電子顯微鏡(eV-TEM)中轉(zhuǎn)動(dòng)。

首先研究的材料是石墨烯，一種類似絲的平面二維六角形分子圖案中碳的變化。研究人員向石墨烯的單層、雙層和三層發(fā)射慢電子，并對(duì)傳輸過(guò)程進(jìn)行成像。Sense Jan van der Molen表示：已經(jīng)有很多關(guān)于電子在石墨烯層中行為的研究，但是對(duì)于它們?nèi)绾慰鐚右苿?dòng)的研究就更少了。

檢驗(yàn)理論

70年代的一個(gè)理論模型預(yù)測(cè)，慢電子可以很容易地通過(guò)薄層，因?yàn)樗鼈儙缀醪粫?huì)與這些層中的電子相互作用。然后，當(dāng)電子的能量和速度提高時(shí)，預(yù)計(jì)相互作用的數(shù)量會(huì)增加，這將導(dǎo)致通過(guò)樣品的電子越來(lái)越少。不管樣品的確切材料是什么，這個(gè)“通用曲線”應(yīng)該保持不變。然而物理學(xué)家們注意到了一些非常不同的東西，在特定的電子能量下，測(cè)量透射率的急劇下降，這與反射中的峰值相對(duì)應(yīng)，對(duì)于具有一定能量的電子，石墨烯就像一面鏡子。

鏡面石墨烯

在這項(xiàng)研究中，研究人員提供了一個(gè)解釋：電子是波，在特定波長(zhǎng)下，從單獨(dú)石墨烯層反射的波將相互增強(qiáng)。這種“相長(zhǎng)干涉”導(dǎo)致石墨烯層堆疊充當(dāng)電子的鏡子。在眼鏡或雙筒望遠(yuǎn)鏡上，減反射涂層的綠色或略帶紫色色調(diào)中也可以看到類似效果。

它們也由層組成，這會(huì)對(duì)綠色或紫色光產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉。依賴波長(zhǎng)的鏡像證明薄樣品的行為，不像預(yù)期那樣可預(yù)測(cè)和獨(dú)立于準(zhǔn)確的材料。這些結(jié)果在很大程度上依賴于材料的電子結(jié)構(gòu)和電子能量。此外，該研究還提出了使用層狀石墨烯作為電子束反射鏡的可能性，有可能將用作分束器。

石墨烯薄層

分束器是將單個(gè)入射光束，分成兩個(gè)單獨(dú)的光束，是光學(xué)中常用的標(biāo)準(zhǔn)器件，但目前還不存在用于電子束的分束器，石墨烯也許可以填補(bǔ)這個(gè)缺口。但首先，研究人員想要對(duì)其他材料進(jìn)行成像，這使得對(duì)層狀材料以及在常規(guī)電子顯微鏡下，會(huì)被破壞敏感生物分子的全新研究成為可能。

博科園｜研究/來(lái)自：萊頓大學(xué)

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.086802

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