高时空分辨透射电子显微镜发展与应用

超快透射电子显微镜(Ultrafast Transmission Electron Microscopy,UTEM)集成了高空间和时间分辨率,使直接可视化材料的动力学过程成为可能。本文主要介绍UTEM系统的发展和应用:基于泵浦-探测(Pump-Probe)技术的UTEM系统的基本原理;目前全世界范围内几个主要机构的UTEM系统;中科院物理所李建奇研究员团队自主研发的基于热发射电子枪的第一代UTEM系统和基于场发射电子枪(Field Emission Electron Gun,FEG)的第二代UTEM系统;UTEM系统中的超快实空间成像、超快电子衍射(Ultrafast Electron Diffraction,UED)、时间分辨电子能量损失谱(Time Resolved Electron Energy Loss Spectrum,TREELS)相结合的最新研究成果,例如晶格和电子动力学、相变动力学、光诱导近场电子显微镜(Photon-Induced-Near-Field Electron Microscopy,PINEM)等。目前,超快电镜已经成为研究微纳尺度下非平衡态动力学过程的独一无二的工具。未来,随着电子脉冲质量和TEM的空间分辨率不断提高,有望实现具有更高时空分辨能力的UTEM系统。中国对UTEM的研究投入较少,当前应抓住UTEM的发展机遇,高效推进UTEM领域的关键技术、核心部件和重大产品创新和产业发展,将科技创新和产业发展紧密衔接。

时间分辨透射电子显微镜:在纳米区域内观测超快过程

超快透射电子显微镜(Ultrafast Transmission Electron Microscopy,UTEM)是一种能够以纳米尺度空间分辨研究超快动力学过程的前沿技术。在哥廷根大学最新的研究进展里,建造了第一台具有高度相干性电子源的第三代UTEM。通过从纳米针尖发射局域的光电子,获得高度相干的电子脉冲,能够在样品处将电子斑聚焦到数个纳米,同时具有300fs的脉冲时间宽度。介绍了利用这种先进电子光源UTEM装置的几个应用:对坡莫合金薄膜的磁涡旋纳米图案进行实空间洛伦兹成像,打开应用UTEM进行超快磁性研究的大门;通过将电子脉冲聚焦到数个纳米,我们局域地探测单晶石墨薄膜上飞秒激光激发的声学声子在边缘的传播和演化;演示了自由传播电子束在激光驱动的近场中受光学相位调制产生的电子动量态相干叠加。