Argonne率先在国家用户设施中提供超快电子显微镜

（图片由阿贡国家实验室提供。）

Argonne CNM 中的超快电子显微镜。

阿贡纳米材料中心的独特仪器将改进的透射电子显微镜与超快激光系统相结合，以揭示具有潜在重大影响的小细节。

我们不能用肉眼看到纳米颗粒，但我们可以用电子显微镜。

当科学家通过传统的透射电子显微镜 ( TEM ) 观察不同的材料时，他们可以看到材料的重要微观特征。如果他们结合显微镜的高分辨率和超快激光系统探测相同的材料，他们可以捕捉到激光与材料相互作用时发生的情况的图像。然后，他们可以看到在万亿分之一秒内发生的令人印象深刻的微小细节。

在美国能源部 ( DOE ) 科学办公室用户设施的 纳米材料中心 ( CNM ) 中，科学家们建立了一种独特的新仪器，称为超快电子显微镜 ( UEM )，以更好地捕捉到这一点一种纳米粒子的活性。它是全国用户设施提供的第一款此类仪器。

我们将高空间分辨率与高时间分辨率相结合，因此我们可以看到这些事物的超快变化，” CNM 和阿贡纳米科学与技术部主任 Ilke Arslan 说，他领导UEM的发展 。

Arslan 及其同事 Haihua Liu 和 Thomas Gage 于2019 年初 开始与承包商合作修改 TEM。他们在显微镜的传统柱中添加了新组件，将超快激光系统连接到 TEM 中，以获得空间和时间上的高分辨率。

“我们的超快泵浦探测激光系统将激光脉冲分成两个单独的脉冲，一个激发样品的泵浦脉冲，一个产生用于成像的电子脉冲的探测脉冲，这可以告诉我们有关材料的一些信息，”Gage 解释说。用户可以在实验期间调整两个脉冲到达样品的时间。

“当泵浦脉冲撞击样品时，它会产生激发，”Gage 说。

“使用 UEM，我们可以延迟探测脉冲​​在激发的不同时间点通过，以构建可用于研究材料动力学的电影。”

激光系统可以产生从325 到 2 000 纳米的宽范围波长来激发材料 。这允许在对潜在用户重要的领域进行高度多样化的实验，包括声子动力学、等离子体动力学、催化反应和电荷密度波。Arslan 认为 UEM 还可用于探索太阳能、量子信息科学和纳米医学等领域。

例如，Liu、Gage 和 Arslan 领导的团队使用 UEM 观察石墨烯和金纳米胶囊，并观察它们之间的等离子体耦合。等离子体耦合是粒子之间的场中能量转移的现象。他们的研究表明，当金纳米胶囊位于石墨烯平板上时，等离子体场是对称的。然而，当金纳米胶囊靠近石墨烯阶梯边缘时，它在边缘区域附近的集中度要高得多。这表明纳米级的光可用于操纵等离子体场中的电荷。这种洞察力可能会导致纳米等离子体设备中的应用，这些设备集成到手机或传感器中或用于纳米药物中。Liu、Gage 和 Arslan 最近 在 Nano Letters 上发表了他们的研究结果。

由于 UEM 是一种新颖的工具，Gage 和 Liu 等科学家与用户合作，以​​促进其操作、确保安全并传达工作流程和结果。在 COVID- 19 限制期间，这种帮助主要通过视频进行，但计划是让 UEM用户在UEM 团队 的帮助下申请未来的实践机会 。

超快电子显微镜的部分资金来自 美国能源部 基础能源科学办公室（科学用户设施部门）。

关于阿贡纳米材料中心 纳米材料中心是美国能源部
五个 纳米科学研究中心之一，是美国能源部科学办公室支持的纳米级跨学科研究的主要国家用户 设施 。NSRC 共同组成了一套互补设施，为研究人员提供制造、加工、表征和建模纳米级材料的最先进能力，并构成国家纳米技术倡议最大的基础设施投资。NSRC 位于 DOE的 Argonne、Brookhaven、Lawrence Berkeley、Oak Ridge、Sandia 和 Los Alamos 国家实验室。有关 DOE NSRC 的更多信息，请访问 https:// sci ence .osti .gov/ U s e r - F a c i l i t i e s / U s e r - F a c i l i t i e s - a t - a - Glance。