91儀器信息網(wǎng)訊 2019年12月，在美國加州圣馬特奧舉行的2019年R&D 100 Awards盛典上，布魯克海文實(shí)驗(yàn)室凝聚態(tài)物理與材料科學(xué)部的高級(jí)物理學(xué)家兼組長朱溢眉與美國Euclid TechLabs公司、美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)和日本電子美國的科學(xué)家和工程師們開發(fā)的“電子束脈沖發(fā)生器”獲得“2019 R&D 100”獎(jiǎng)。

這種低成本的無激光設(shè)備可以改裝配置到傳統(tǒng)的透射電子顯微鏡中，達(dá)到在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)能量和生物材料的動(dòng)態(tài)行為成像。

《 R&D World》雜志將其評(píng)選為年度100大創(chuàng)新之一，他們的解決方案是一種基于電子束脈沖發(fā)生器的透射電子顯微鏡成像技術(shù)，可在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)材料的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行成像，無需復(fù)雜且昂貴的脈沖激光器。

該脈沖發(fā)生器使傳統(tǒng)的透射電子顯微鏡能夠捕獲超快的物質(zhì)過程，如原子振動(dòng)和電荷轉(zhuǎn)移，而不需要復(fù)雜而昂貴的脈沖激光器。照片中，朱溢眉坐在最前，站在其后面的是布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的研究助理付學(xué)文，主要著手展現(xiàn)脈沖發(fā)生器探測(cè)超快過程的能力。站在遠(yuǎn)端的兩位分別是Euclid TechLabs公司工程師Hyeokmin Choe(左)和美國石溪大學(xué)研究生Chase Rendall(右)，他們分別致力于將該設(shè)備應(yīng)用于生物分子和量子材料。

技術(shù)背景

由于透射電子顯微鏡(TEM)埃米級(jí)或更出色的空間分辨率，TEM已成為解析多種材料原子和電子結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大工具，應(yīng)用材料包括高溫超導(dǎo)體、鐵電和鐵磁、催化劑和電池等。但是，常規(guī)TEM視頻速率約為每秒30幀，即33毫秒，這太慢而無法捕獲這些材料中的原子振動(dòng)、晶格運(yùn)動(dòng)、電荷轉(zhuǎn)移、離子遷移、電磁轉(zhuǎn)換和其他動(dòng)態(tài)過程。這種限制主要是由于TEM中產(chǎn)生的電子束是連續(xù)的而不是脈沖的。

在過去的15年里，探索材料的原子振動(dòng)、晶格運(yùn)動(dòng)等的動(dòng)態(tài)過程，可以通過為TEM配置可產(chǎn)生電子束的脈沖激光來實(shí)現(xiàn)，但是基于激光器的超快TEM非常復(fù)雜且昂貴，需要對(duì)TEM進(jìn)行重大修改，并且需要專業(yè)人員來操作激光系統(tǒng)。

技術(shù)方案

該研究小組的解決方案是電子脈沖發(fā)生器代替激光。他們使用加速器技術(shù)將電子的連續(xù)波形(電子具有類似于波的特性，以一定的頻率振蕩)“切割”形成10皮秒(1皮秒為萬億分之一秒)的超短脈沖，具有高重復(fù)頻率(兆赫到千兆赫)，用于頻閃模式下的超快TEM實(shí)驗(yàn)。在這種模式下，脈沖被重復(fù)地循環(huán)，以創(chuàng)建一個(gè)時(shí)間分辨率的圖像，類似于膠卷是由一系列單獨(dú)的圖片組成，當(dāng)快速連續(xù)地觀看時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生連續(xù)運(yùn)動(dòng)的效果。脈沖的頻率可以根據(jù)感興趣現(xiàn)象的自然時(shí)間尺度來調(diào)整。例如，金屬-絕緣體的躍遷或自旋波的傳播，只要現(xiàn)象是可重復(fù)的，這個(gè)過程就可以被捕獲。

布魯克海文實(shí)驗(yàn)室凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)部的高級(jí)物理學(xué)家，電子顯微鏡和納米結(jié)構(gòu)小組負(fù)責(zé)人 朱溢眉表示，“將加速器技術(shù)與電子顯微鏡相結(jié)合是前所未有的?！? 朱溢眉與其之前一位學(xué)生June Lau(現(xiàn)就職于NIST)提出了電子脈沖發(fā)生器的想法，帶著這個(gè)想法咨詢了專門從事加速器開發(fā)的研發(fā)公司——Euclid TechLabs公司，并進(jìn)一步進(jìn)行合作。“在過去的五年里，雙方的合作不僅帶來一些列科研成果及美國專利的發(fā)表，而且還產(chǎn)生了可用于商業(yè)TEM的可衍生產(chǎn)品?！?/p>

可以將電子束脈沖發(fā)生器(在圖中右上角放大部分)改裝到現(xiàn)有的商用透射電子顯微鏡中，以將電子的正常連續(xù)波形轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖束，以進(jìn)行頻閃超快實(shí)驗(yàn)。紫色框顯示脈沖束，時(shí)間間隔為100皮秒。

該團(tuán)隊(duì)在Euclid公司開發(fā)并制造了電子脈沖發(fā)生器，在日本電子美國總部的TEM中測(cè)試了該設(shè)備，然后將其安裝在NIST和布魯克海文實(shí)驗(yàn)室TEM中，以不同電壓工作。此后，他們一直在進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)以探索該設(shè)備的功能，包括它是否可用于探測(cè)具有高電子相關(guān)的材料甚至生物樣品中的超快動(dòng)力學(xué)。眾所周知，通常用于TEM中的高能電子束會(huì)破壞原子鍵，從而破壞生物樣品。但是，如果斷裂的化學(xué)鍵能在脈沖之間自愈，輻射損傷便可能會(huì)減輕。

“有機(jī)會(huì)與電子顯微鏡專家合作非常令我感到興奮，” Euclid工程部副總裁Chunguang Jing說， “我希望我們的共同努力將帶來一個(gè)有用的商業(yè)產(chǎn)品，可以影響電子顯微鏡領(lǐng)域?！?/p>

“這項(xiàng)技術(shù)把我們帶到了未知的領(lǐng)域，” 朱溢眉說，“現(xiàn)在，我們不僅可以做時(shí)間分辨的測(cè)量，還可以看到生物分子對(duì)外界刺激的反應(yīng)?！蔽覀兿Ｍ覀兿鄬?duì)廉價(jià)的技術(shù)將為科學(xué)界提供一種手段，以在所需的空間和時(shí)間范圍內(nèi)捕獲和理解功能材料的微觀結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和自旋狀態(tài)?！?/p>

布魯克海文的貢獻(xiàn)得到了美國能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室的支持，歐幾里德得到了美國能源部小企業(yè)創(chuàng)新研究補(bǔ)助金的支持，NIST得到了內(nèi)部研發(fā)資金的支持。

布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室是由美國能源部科學(xué)辦公室資助的?？茖W(xué)辦公室是美國物理科學(xué)基礎(chǔ)研究的最大支持者，并且致力于解決當(dāng)今時(shí)代最緊迫的挑戰(zhàn)。

附：關(guān)于獲獎(jiǎng)

自1962年以來，每年的R&D 100大獎(jiǎng)一直表彰科學(xué)技術(shù)方面的革命性思想。40多位來自學(xué)術(shù)界，工業(yè)界和政府部門的專業(yè)人員組成的評(píng)審團(tuán)選出了今年的獲獎(jiǎng)?wù)摺?/p>

R&D World副總裁兼編輯總監(jiān)Paul J. Heney說：“這100項(xiàng)獲勝的產(chǎn)品和技術(shù)將在未來幾年改變行業(yè)，使世界變得更美好。”

布魯克海文獲得此獎(jiǎng)是2019年授予美國能源部國家實(shí)驗(yàn)室的眾多獎(jiǎng)項(xiàng)之一。

美國能源部長Rick Perry表示：“這些獎(jiǎng)項(xiàng)認(rèn)可了我們國家實(shí)驗(yàn)室以開創(chuàng)性的思想形式提供的令人難以置信的價(jià)值，這些思想一旦成功就將改變我們的生活方式。” “我們?yōu)閷?shí)驗(yàn)室不斷重新定義可能的能力而感到自豪，這有助于確保我們國家更加繁榮和安全的未來?！?/p>

自1987年以來，布魯克海文實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)獲得37項(xiàng)R&D 100大獎(jiǎng)。獲獎(jiǎng)的技術(shù)包括顯微鏡光學(xué)、電催化劑、納米變形方法和輻射探測(cè)器等。