Открытый доступ Открытый доступ  Ограниченный доступ Платный доступ или доступ для подписчиков

СВЕРХБЫСТРАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ КРИСТАЛЛОГРАФИЯ И НАНОКРИСТАЛЛОГРАФИЯ: ДЛЯ ХИМИИ, БИОЛОГИИ И НАУК О МАТЕРИАЛАХ. ЧАСТЬ I. СВЕРХБЫСТРАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ КРИСТАЛЛОГРАФИЯ

Lothar Schafer, Yury I. Tarasov, Aleksandr V. Koshelev, Anatoly A. Ischenko

DOI: http://dx.doi.org/10.6060/tcct.2017605.5608
Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2017. Т. 60. Вып. 5. C. 4-20

Аннотация


Прямое исследование и понимание динамики химических и биологических процессов, происходящих в конденсированных средах, в настоящее время находится на ранней стадии. Прогресс в этой области был вызван разработкой методов исследования структурной динамики материи в состоянии, далеком от равновесия, включая экстремальные состояния. Представленная информация служит основой для тестирования новых теоретических подходов к описанию вещества в причинно-связанной триаде «структура-динамика-свойство». Наблюдение динамического поведения материи в пространственно-временном континууме на сверхкоротких временных масштабах является необходимым первым шагом в объяснении и, в конечном счете, контроле неравновесных процессов и функциональности исследуемых систем. Метод сверхбыстрой электронной кристаллографии позволяет исследовать переходные неравновесные структуры, которые дают решающую информацию о структурной динамике фазовых переходов и когерентной динамики ядер в твердом состоянии, на поверхности и в макромолекулярных системах. В последние годы длительность электронного инпульса в аппаратуре сверхбыстрой электронной дифракции значительно уменьшилась, а ускоряющее напряжение значительно увеличилось. В результате, были получены фемтосекундные импульсы электронов. Предложен метод радиочастотной группировки электронов для увеличения яркости электронного импульса. Для увеличения пространственной когерентности использовался метод электронной полевой эмиссии, а для уменьшения рассогласования скоростей светового и электронного импульсов и сжатия электронных сгустков применялось пондеромоторное волновое фронтальное ускорение. Эти достижения открыли новые возможности для изучения когерентной структурной динамики - атомно-молекулярного кино с фемтосекундным временным разрешением. В обзоре цитируются результаты нескольких всемирно известных исследовательских групп.

Ключевые слова


сверхбыстрая электронная кристаллография; промежуточные неравновесные структуры; поверхности и кристаллы; когерентная структурная динамика; динамика реакции с атомным разрешением; фемтосекундная спектроскопия

Полный текст:

PDFPDF

Литература


Zewail A.H. 4D ultrafast electron diffraction, crystallography, and microscopy. Annu. Rev. Phys. Chem. 2006. V. 57. N 1. P. 65-103. DOI: 10.1146/annurev.physchem.57.032905.104748.

Zewail A.H. Four-Dimensional Electron Microscopy. Science. 2010. V. 328. N 5975. P. 187-193. DOI: 10.1126/science.1166135.

Zewail A.H., Thomas J.M. 4D Electron Microscopy: Imaging in Space and Time. London: Imperial College Press. 2010. 360 p.

Ewbank J.D., Schäfer L., Ischenko A.A. Structural and vibrational kinetics of photoexcitation processes using time resolved electron diffraction. J. Mol. Struct. 2000. V. 524. N 1–3. P. 1-49. DOI: 10.1016/S0022-2860(99)00419-6.

Ischenko A.A., Girichev G.V., Tarasov Y.I. Electron diffraction: structure and dynamics of free molecules and condensed matter. M.: Fizmatlit. 2012. 616 p. (in Russian).

Ischenko A.A., Aseev S.A., Bagratashvili V.N., Pan-chenko V.Y., Ryabov E.A. Ultrafast electron diffraction and electron microscopy: present status and future prospects. Phys. Usp. 2014. V. 57. N 7. P. 633-669. DOI: 10.3367/UFNe.0184.201407a.0681.

Ischenko A.A., Aseyev S.A. Time Resolved Electron Diffraction: for chemistry, biology and material science. San Diego: Elsevier. 2014. 310 p.

Dwyer J.R., Hebeisen C.T., Ernstorfer R., Harb M., Deyirmenjian V.B., Jordan R.E., Dwayne Miller R.J. Femtosecond electron diffraction: ‘making the molecular movie’. Phil. Trans. R. Soc. A. 2006. V. 364. N 1840. P. 741-778.

Dwayne Miller R.J. Mapping Atomic Motions with Ultrabright Electrons: The Chemists' Gedanken Experiment Enters the Lab Frame. Annu. Rev. Phys. Chem. 2014. V. 65. N 1. P. 583-604. DOI: 10.1146/annurev-physchem-040412-110117.

Ischenko A.A., Golubkov V.V., Spiridonov V.P., Zgurskii A.V., Akhmanov A.S., Vabischevich M.G., Bagratashvili V.N. A stroboscopical gas-electron diffraction method for the investigation of short-lived molecular species. Appl. Phys. B. 1983. V. 32. N 3. P. 161-163. DOI: 10.1007/BF00688823.

Ischenko A.A., Bagratashvili V.N., Golubkov V.V., Spiri-donov V.P., Zgurskii A.V., Akhmanov A. S. The observa-tion of electron diffraction from free radicals - products of the IR multiphoton dissociation of CF3I molecules by stroboscopic gas electron diffraction. Vestn. MSU. Ser. 2. Khimiya. 1985. V. 26. N 2. P. 140-143 (in Russian).

Ischenko A. A., Tarasov Y. I., Spiridonov V. P., Zgurskii A. V. The study of short-lived intermediate species and structural kinetics of photoexcited molecules by stroboscopic electron diffraction. The Structure and Properties of Molecules. Ivanovo: IICS. 1988. P. 63-77 (in Russian).

Vabishchevich M.G., Ischenko A.A. Method of studying the kinetics of fast processes. USSR Certificate number 1679907. 1991 (in Russian).

Norrish R.G.W., Porter G. Chemical Reactions Produced by Very High Light Intensities. Nature. 1949. V. 164. P. 658. DOI: 10.1038/164658a0.

Ruan C.-Y., Murooka Y., Raman R.K., Murdick R.A., Worhatch R.J., Pell A. The Development and Applications of Ultrafast Electron Nanocrystallography. Microsc. Microanal. 2009. V. 15. N 4. P. 323-337. DOI: 10.1017/S1431927609090709.

Weber P.M., Carpenter S.D., Lucza T. Reflectron design for femtosecond electron guns. Proc. SPIE. 1995. V. 2521. P. 23-30. DOI: 10.1117/12.218364.

King W.E., Campbell G.H., Frank A., Reed B., Schmerge J.F., Siwick B.J., Stuart B.C., Weber P.M. Ultrafast electron microscopy in materials science, biology, and chemistry. J. Appl. Phys. 2005. V. 97. N 11. P. 111101, 1-27.

Siwick B.J., Dwyer J.R., Jordan R.E., Dwayne Miller R.J. An Atomic-Level View of Melting Using Femtosecond Electron Diffraction. Science. 2003. V. 302. N 5649. P. 1382-1385. DOI: 10.1126/science.1090052.

Ischenko A.A., Ewbank J.D., Schafer L. Structural and Vibrational Kinetics by Time-Resolved Gas Electron Diffraction: Stochastic Approach to Data Analysis. J. Phys. Chem. 1995. V. 99. N 43. P. 15790-15797. DOI: 10.1021/j100043a017.

Ischenko A.A., Shafer L., Ewbank J.D. Tomography of the Molecular Quantum State by Time-Resolved Electron Diffraction. Proc. SPIE 1999. V. 3516. P. 580-595. DOI: 10.1117/12.350538.

Sciaini G., Dwayne Miller R.J. Femtosecond electron diffraction: heralding the era of atomically resolved dynamics. Rep. Prog. Phys. 2011. V. 74. N 9. P. 096101, 1-36.

Ishchenko A.A., Bagratashvili V.N., Avilov A.S. Methods for studying the coherent 4D structural dynamics of free molecules and condensed state of matter. CryRp. 2011. V. 56. N 5. P. 751-773. DOI: 10.1134/s1063774511050129.

Flannigan D.J., Zewail A.H. 4D Electron Microscopy: Principles and Applications. Acc. Chem. Res. 2012. V. 45. N 10. P. 1828-1839. DOI: 10.1021/ar3001684.

Hada M., Pichugin K., Sciaini G. Ultrafast structural dynamics with table top femtosecond hard X-ray and electron diffraction setups. EPJ ST. 2013. V. 222. N 5. P. 1093-1123. DOI: 10.1140/epjst/e2013-01909-9.

Aseyev S.A., Weber P.M., Ischenko A.A. Ultrafast Electron Microscopy for Chemistry, Biology and Material Science. JASMI. 2013. V. 03. N 01. P. 30-53. DOI: 10.4236/jasmi.2013.31005.

Baum P. Towards ultimate temporal and spatial resolutions with ultrafast single-electron diffraction. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 2014. V. 47. N 12. P. 124005. DOI: 10.1088/0953-4075/47/12/124005.

Dwayne Miller R.J. Femtosecond Crystallography with Ultrabright Electrons and X-rays: Capturing Chemistry in Action. Science. 2014. V. 343. N. 6175. P. 1108-1116. DOI: 10.1126/science.1248488.

Campbell G.H., McKeown J.T., Santala M.K. Time resolved electron microscopy for in situ experiments. Appl. Phys. Rev. 2014. V. 1. N 4. P. 041101. DOI: 10.1063/1.4900509.

Kim K.T., Villeneuve D.M., Corkum P.B. Manipulating quantum paths for novel attosecond measurement methods. Nat Photon. 2014. V. 8. N 3. P. 187-194. DOI: 10.1038/nphoton.2014.26.

Petek H. Single-Molecule Femtochemistry: Molecular Imaging at the Space-Time Limit. ACS Nano. 2014. V. 8. N 1. P. 5-13. DOI: 10.1021/nn4064538.

Manz S., Casandruc A., Zhang D., Zhong Y., Loch R.A., Marx A., Hasegawa T., Liu L.C., Bayesteh S., Delsim-Hashemi H., Hoffmann M., Felber M., Hachmann M., Mayet F., Hirscht J., Keskin S., Hada M., Epp S.W., Flottmann K., Dwayne Miller R.J. Mapping atomic motions with ultrabright electrons: towards fundamental limits in space-time resolution. Farad. Discuss. 2015. V. 177. P. 467-491. DOI: 10.1039/C4FD00204K.

Robinson M.S., Lane P.D., Wann D.A. A compact electron gun for time-resolved electron diffraction. Rev. Sci. Instrum. 2015. V. 86. N 1. P. 013109. DOI: 10.1063/1.4905335.

Plemmons D.A., Suri P.K., Flannigan D.J. Probing Structural and Electronic Dynamics with Ultrafast Electron Microscopy. Chem. Mater. 2015. V. 27. N 9. P. 3178-3192. DOI: 10.1021/acs.chemmater.5b00433.

Zhu P., Zhu Y., Hidaka Y., Wu L., Cao J., Berger H., Geck J., Kraus R., Pjerov S., Shen Y., Tobey R.I., Hill J.P., Wang X.J. Femtosecond time-resolved MeV electron diffraction. New J. Phys. 2015. V. 17. N 6. P. 063004. DOI: 10.1088/1367-2630/17/6/063004.

Gerbig C., Senftleben A., Morgenstern S., Sarpe C., Baumert T. Spatio-temporal resolution studies on a highly compact ultrafast electron diffractometer. New J. Phys. 2015. V. 17. N 4. P. 043050. DOI: 10.1088/1367-2630/17/4/043050.

Centurion M. Ultrafast imaging of isolated molecules with electron diffraction. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 2016. V. 49. N 6. P. 062002. DOI: 10.1088/0953-4075/49/6/062002.

Ischenko A.A., Schaefer L., Tarasov Y.I., Ryabov E.A., Aseyev S.A. Ultrafast Transmission Electron Microscopy. Fine Chemical Technologies. 2017. V. 12. N 1. P. 5-25.

Buchachenko A.L. Chemistry on the border of two centuries ‒ achievements and prospects. Russ. Chem. Rev. 1999. V. 68.

N 2. P. 85-102. DOI: 10.1070/RC1999v068n02ABEH000487.

Buchachenko A.L., Berdinsky V.L. Spin catalysis as a new type of catalysis in chemistry Russ. Chem. Rev. 2004. V. 73. N 11.

P. 1033-1039. DOI: 10.1070/RC2004v073n11ABEH000888.

Nadtochenko V.A., Denisov N.N., Gak V.Y., Gostev F.E., Titov A.A., Sarkisov O.M., Nikandrov V.V. Femtosecond relaxation of photoexcited states in nanosized semiconductor particles of iron oxides. DAN 2002. V. 62. N 3. P. 457-461 (in Russian).

Lobastov V.A., Srinivasan R., Vigliotti F., Ruan C.-Y., Feenstra J.S., Chen S., Park S.T., Xu S., Zewail A.H. Ultrafast Electron Diffraction, in: Ultrafast Optics IV: Selected Contributions to the 4th International Conference on Ultrafast Optics. 2004. New York: Springer. P. 419-435. DOI: 10.1007/978-0-387-34756-1_54.

Oura K., Lifshits V.G., Saranin A.A., Zotov A.V., Katayama M. Introduction to the physics of the surface. M.: Nauka. 2006. 494 р. (in Russian).

Cavalieri A.L., Muller N., Uphues T., Yakovlev V.S., Baltuska A., Horvath B., Schmidt B., Blumel L., Holzwarth R., Hendel S., Drescher M., Kleineberg U., Echenique P.M., Kienberger R., Krausz F., Heinzmann U. Attosecond spectroscopy in condensed matter. Nature. 2007. V. 449. N 7165. P. 1029-1032. DOI: 10.1038/nature06229.

Williamson J.C., Zewail A.H. Ultrafast electron diffraction. Velocity mismatch and temporal resolution in crossed-beam experiments. Chem. Phys. Lett. 1993. V. 209. N 1. P. 10-16. DOI: 10.1016/0009-2614(93)87193-7.

Mishina T., Nitta K., Masumoto Y. Coherent lattice vibration of interlayer shearing mode of graphite. Phys. Rev. B. 2000.

V. 62. N 4. P. 2908-2911. DOI: 10.1103/PhysRevB.62.2908.

Ishioka K., Hase M., Kitajima M., Ushida K. Ultrafast carrier and phonon dynamics in ion-irradiated graphite. Appl. Phys. Lett. 2001. V. 78. N 25. P. 3965-3967. DOI: 10.1063/1.1379782.

Vladimirov V.M., Zapryagaev I.A., Konnov V.G., Kurkin G.Y., Tarnetskii V.V., Chernov K.N. A low-noise microwave signal source. Instrum. Exp. Tech. 2010. V. 53. N 5. P. 708-709. DOI: 10.1134/S0020441210050155.

Tao Z., Zhang H., Duxbury P.M., Berz M., Ruan C.-Y. Space charge effects in ultrafast electron diffraction and imaging. J. Appl. Phys. 2012. V. 111. N 4. P. 044316. DOI: 10.1063/1.3685747.

Lobastov V.A., Srinivasan R., Zewail A.H. Four-di-mensional ultrafast electron microscopy. PNAS. 2005. V. 102. N 20. P. 7069-7073. DOI: 10.1073/pnas.0502607102.

Ruan C.-Y., Vigliotti F., Lobastov V.A., Chen S., Zewail A.H. Ultrafast electron crystallography: Transient structures of molecules, surfaces, and phase transitions. PNAS. 2004. V. 101. N 5. P. 1123-1128. DOI: 10.1073/pnas.0307302101.

Ruan C.-Y., Murooka Y., Raman R.K., Murdick R.A. Dynamics of Size-Selected Gold Nanoparticles Studied by Ultrafast Electron Nanocrystallography. Nano Letters. 2007. V. 7. N 5. P. 1290-1296. DOI: 10.1021/nl070269h.

Ino S. Experimental Overview of Surface Structure Determination by RHEED, in: Reflection High-Energy Electron Diffraction and Reflection Electron Imaging of Surfaces, 1988. Boston: Springer US. P. 3-28. DOI: 10.1007/978-1-4684-5580-9_1.

Yang D.-S., Gedik N., Zewail A.H. Ultrafast Electron Crystallography. 1. Nonequilibrium Dynamics of Nano-meter-Scale Structures. J. Phys. Chem. C. 2007. V. 111. N 13. P. 4889-4919. DOI: 10.1021/jp067466.

Tang J., Yang D.-S., Zewail A.H. Ultrafast Electron Crystallography. 3. Theoretical Modeling of Structural Dynamics. J. Phys. Chem. C. 2007. V. 111. N 25. P. 8957-8970. DOI: 10.1021/jp073015t.

Schäfer S., Liang W., Zewail A.H. Structural dynamics of surfaces by ultrafast electron crystallography: Experimental and multiple scattering theory. J. Chem. Phys. 2011. V. 135. N 21. P. 214201. DOI: 10.1063/1.3663963.

Vigliotti F., Chen S., Ruan C.-Y., Lobastov V.A., Zewail A.H. Ultrafast Electron Crystallography of Surface Structural Dynamics with Atomic-Scale Resolution. Angew. Chem. Int. Ed. 2004. V. 43. N 20. P. 2705-2709. DOI: 10.1002/anie.200453983.

Sundaram S.K., Mazur E. Inducing and probing non-thermal transitions in semiconductors using femtosecond laser pulses. Nat Mater. 2002. V. 1. N 4. P. 217-224. DOI: 10.1038/nmat767.

Fahy S., Louie S.G., Cohen M.L. Pseudopotential total-energy study of the transition from rhombohedral graphite to diamond. Phys. Rev. B. 1986. V. 34. N 2. P. 1191-1199. DOI: 10.1103/PhysRevB.34.1191.

Yang G.W., Wang J.B. Pulsed-laser-induced transformation path of graphite to diamond via an intermediate rhombo-hedral graphite. Appl. Phys. A. 2001. V. 72. N 4. P. 475-479. DOI: 10.1007/s003390000537.

Nakayama H., Katayama-Yoshida H. Direct conversion of graphite into diamond through electronic excited states. J. Phys. Condens. Matter. 2003. V. 15. N 24. P. R1077. DOI: 10.1088/0953-8984/15/24/202.

Meguro T., Hida A., Suzuki M., Koguchi Y., Takai H., Yamamoto Y., Maeda K., Aoyagi Y. Creation of nanodiamonds by single impacts of highly charged ions upon graphite. Appl. Phys. Lett. 2001. V. 79. N 23. P. 3866-3868. DOI: 10.1063/1.1424047.

Raman R.K., Murooka Y., Ruan C.-Y., Yang T., Berber S., Tománek D. Direct Observation of Optically Induced Transient Structures in Graphite Using Ultrafast Electron Crystallography. Phys. Rev. Lett. 2008. V. 101. N 7. P. 077401. DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.077401.

Scandolo S., Bernasconi M., Chiarotti G.L., Focher P., Tosatti E. Pressure-Induced Transformation Path of Graphite to Diamond. Phys. Rev. Lett. 1995. V. 74. N 20. P. 4015-4018. DOI: 10.1103/PhysRevLett.74.4015.

Kampfrath T., Perfetti L., Schapper F., Frischkorn C., Wolf M. Strongly Coupled Optical Phonons in the Ultrafast Dynamics of the Electronic Energy and Current Relaxation in Graphite. Phys. Rev. Lett. 2005. V. 95. N 18. P. 187403. DOI: 10.1103/PhysRevLett.95.187403.

Mao W.L., Mao H.-K., Eng P.J., Trainor T.P., Newville M., Kao C.-C., Heinz D.L., Shu J., Meng Y., Hemley R.J. Bonding Changes in Compressed Superhard Graphite. Science. 2003. V. 302. N 5644. P. 425-427. DOI: 10.1126/science.1089713.

Chen S., Seidel M.T., Zewail A.H. Atomic-scale dynamical structures of fatty acid bilayers observed by ultrafast electron crystallography. PNAS. 2005. V. 102. N 25. P. 8854-8859. DOI: 10.1073/pnas.0504022102.

Ruan C.-Y., Yang D.-S., Zewail A.H. Structures and Dynamics of Self-Assembled Surface Monolayers Observed by Ultrafast Electron Crystallography. J. Am. Chem. Soc. 2004. V. 126. N 40. P. 12797-12799. DOI: 10.1021/ja045441n.

Kitaygorodsky A. I. Molecular crystals. Nauka. 1971. 424 p. (in Russian).

Zanchet D., Tolentino H., Martins Alves M.C., Alves O.L., Ugarte D. Inter-atomic distance contraction in thiol-passivated gold nanoparticles. Chem. Phys. Lett. 2000. V. 323. N 1–2. P. 167-172. DOI: 10.1016/S0009-2614(00)00424-3.

Gao M., Lu C., Jean-Ruel H., Liu L.C., Marx A., Onda K., Koshihara S.-Y., Nakano Y., Shao X., Hiramatsu T., Saito G., Yamochi H., Cooney R. R., Moriena G., Sciaini G., Miller R.J.D. Mapping molecular motions leading to charge delocalization with ultrabright electrons. Nature. 2013. V. 496. N 7445. P. 343-346. DOI: 10.1038/nature12044.

Dwayne Miller R.J. Ultrafast imaging of photochemical dynamics: roadmap to a new conceptual basis for che-mistry. Farad. Discuss. 2016. V. 194. P. 777-828. DOI: 10.1039/C6FD00241B.


Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.