À medida que o interesse em energia renovável e dispositivos com eficiência energética continua a crescer, o mesmo aconteceu com o interesse da comunidade científica em descobrir e projetar novos materiais com propriedades físicas desejáveis ​​que pudessem ser usados ​​em células solares ou dispositivos de armazenamento de energia. Uma ferramenta chave neste trabalho é a espectroscopia de perda de energia de elétrons de alta resolução (HREELS), que envolve a exposição de um material a um feixe de elétrons de energia cinética conhecida. Enquanto os elétrons perdem energia quando ricocheteiam nos átomos na superfície do material, essa perda de energia pode ser medida e usada para fazer importantes determinações sobre o material.

"Phonons, excitações coletivas que regem o movimento dos átomos dentro da estrutura cristalina de um sólido, são um assunto de particular interesse para os cientistas porque afetam propriedades físicas, como a capacidade de um determinado material de conduzir eletricidade ou calor, "explicou François C. Bocquet, um físico do Forschungszentrum Jülich, um centro de pesquisa científica em Jülich, Alemanha. "Essas propriedades são importantes porque afetam a adequação de um material para uso em diferentes aplicações."

"O desafio é que pode ser muito demorado para os cientistas de superfície que usam o HREELS para medir a dispersão dos fônons ou a perda líquida de energia em todos os ângulos. Até agora, só foi possível medir um ângulo e uma perda de energia por vez, portanto, pode levar mais de um dia para medir a dispersão. Na verdade, pode levar até uma semana se você não escolher uma energia cinética apropriada para os elétrons no feixe de entrada, porque isso afeta a intensidade dos fônons e, portanto, a facilidade com que eles podem ser medidos, "Bocquet disse.

Para resolver esses problemas, Bocquet e seus colegas adaptaram um instrumento usado para o HREELS com novos componentes para que a dispersão de fônons de um determinado material possa ser medida em questão de minutos. Eles descrevem seu dispositivo esta semana no jornal Revisão de instrumentos científicos .

"Nosso aparelho tem dois componentes principais que nos permitem melhorar a medição da dispersão de fônons, "Bocquet disse, cuja pesquisa também é financiada pelo Fundo de Iniciativa e Rede da Associação Helmholtz. "O primeiro é um analisador de elétrons hemisférico, que tem sido usado com sucesso por mais de uma década na espectroscopia de fotoelétrons de resolução angular. A segunda é uma fonte de elétrons de alta resolução de energia desenvolvida internamente. Ele pode ser otimizado com o software que criamos para que os elétrons do feixe de entrada tenham a energia cinética desejada e sejam focados em uma área muito pequena da amostra que se ajusta ao campo de visão do analisador de elétrons hemisférico. "

O período de tempo aprimorado para determinar a dispersão de fônons tem o benefício adicional de permitir que os cientistas de superfície tratem de amostras cujas medições eram muito complicadas até agora.

"Os cientistas de superfície normalmente trabalham em condições de vácuo porque as superfícies que estudam devem ser extremamente limpas e não ter contaminantes. Como o vácuo nunca é perfeito, Contudo, eles geralmente têm que parar de medir uma determinada amostra após algumas horas e prepará-la novamente. Reduzir o tempo para medir a dispersão significa que agora é possível medir amostras que são difíceis de preparar e de curta duração, "Bocquet disse.

Bocquet e seus colegas pretendem usar seu dispositivo para investigar materiais relacionados ao grafeno, uma substância bem conhecida que tem atraído muito interesse entre os cientistas na última década. Eles também estão ansiosos para ver que materiais outros cientistas de superfície usam para estudar.

"Há tantos novos materiais interessantes sendo desenvolvidos cujas propriedades físicas poderiam ser compreendidas mais profundamente se pudéssemos medir sua dispersão de fônons, "Bocquet disse." Esta informação ajudaria os cientistas e engenheiros a determinar a adequação desses materiais para uso em novos dispositivos que abordam os desafios globais urgentes. "