Scanning Ultrafast Electron Microscopy: A Novel Technique to Probe Photocarrier Dynamics with High Spatial and Temporal Resolutions
光激发电荷载流子的动力学，特别是它们的传输以及与缺陷和界面的相互作用，在确定各种太阳能和光电子器件的性能方面起着至关重要的作用。要彻底了解这些过程，就需要同时以极高的分辨率跟踪光生载流子在空间和时间上的运动，这对以前开发的技术（主要是基于超快光谱学）构成了重大挑战。扫描超快电子显微镜（SUEM）是一种结合了扫描电子显微镜（SEM）的空间分辨力和飞秒超快激光的时间分辨力的新技术。尽管最近有许多优秀的评论，超快电子显微镜，我们专门致力于这篇文章SUEM，在那里我们审查的工作原理和对比机制的SUEM在二次电子检测模式从用户的角度来看，并讨论的应用SUEM直接图像光载流子动力学在各种材料。此外，我们提出了未来的理论和实验方向，以更好地理解和充分利用SUEM测量，以获得有关光生载流子动力学的详细信息。最后，我们设想的潜力，扩大SUEM成为一个多功能的平台，探测光生载流子动力学以外的物理过程。
2017-08-03 cond-mat.mtrl-sci
Imaging Nanoscale Carrier, Thermal, and Structural Dynamics with Time-Resolved and Ultrafast Electron Energy-Loss Spectroscopy
California Institute of Technology（加州理工学院）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）
本综述介绍了时间分辨和超快电子能量损失谱（EELS）在理论和仪器上的最新进展，阐述了其从低损耗等离激元到核心能级激发的光谱计算与解释方法，并探讨了电子束单色化等新兴技术的未来方向，确立了该技术在揭示量子材料和太阳能转换器件纳米尺度动态过程中的关键地位。
2025-10-06 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Ultrafast core-to-core luminescence in BaF$_2$-LaF$_3$ single crystals
该研究揭示了BaF$_2$-LaF$_3$晶体中激发能量超过24 eV时出现的约150 ps超快核-核发光机制，并通过从头计算验证，表明该闪烁体在飞行时间断层成像中具有应用潜力。
2024-12-05 cond-mat.mtrl-sci
Ultrafast electron energy-loss spectroscopy in transmission electron microscopy
在寻求材料结构和功能的动态多模态探测时，能够使用元素特定的电子和结构敏感工具（如电子能量损失谱（EELS））量化原子和纳米尺度上的化学状态至关重要。超快EELF，在透射电子显微镜中具有组合的能量、时间和空间分辨率，最近使光激发纳米结构演化和渐逝电磁场映射的变革性研究成为可能。本文旨在描述这一新兴领域的最先进的实验技术及其主要用途和未来的应用。
2019-09-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el physics.app-ph
Ultrafast light-induced Coherent Optical and Acoustic Phonons in few Quintuple Layers of Topological Insulators Bi2Te3
利用时间分辨光抽运探测光谱研究了拓扑绝缘体（TI）Bi $_2$ Te $_3$的几个五重层的超快晶格动力学。光学声子和声学声子都是光生的，并被检测到。在这里，为了得到新的见解的平衡电子-声子耦合和声子动力学在限制TI，不同的纳米结构进行了研究（单或多晶量子点组件和纳米结晶岛）。与以前的文献声明相反，我们表明，即使是只包含10个五重层（QL）的纳米结构，对称A1 g（I）相干光学声子是有效的光生和没有限制，由于结构限制出现。我们还观察到，无论纳米结构的布置如何，A1 g（I）光学声子特征是相似的（寿命）。我们还报告了观察到的限制相干声学声子传播的量子阱量子阱的光谱是，这一次，非常敏感的原子排列。在单晶体纳米薄膜的情况下，这些声学声子的飞行时间分析提供了这些纳米结构的弹性性质的直接估计以及量子点之间的范德华相互作用的一些估计。
2015-07-08 cond-mat.mtrl-sci
Time- and momentum-resolved photoemission studies using time-of-flight momentum microscopy at a free-electron laser
超快泵浦和探测脉冲时间分辨光电发射技术是一种新兴的、具有广泛应用前景的技术。实时记录非平衡电子过程，化学反应中的瞬态或电子和结构动力学的相互作用为未来的研究提供了迷人的机会。将价带和芯能级光谱学与光电子衍射结合起来用于电子、化学和结构分析需要几个10 fs的软X射线脉冲，其光谱分辨率约为10 meV，这是目前在高重复率自由电子激光下可用的。FLASH（DESY，Hamburg）的PG 2光束线提供了5000脉冲/s的高脉冲速率、60 fs脉冲持续时间和40 meV带宽，能量范围为25-830 eV，光子束直径小至50微米。我们构建并优化了在FLASH/PG 2上调试的多功能设置，该设置将自由电子激光功能与用于光发射研究的多维记录方案相结合。我们使用具有飞行时间能量记录的全场成像动量显微镜作为探测器，以前所未有的效率在（$k_x$，$k_y$，$E$）参数空间中映射3D能带结构。我们的仪器可以成像全表面布里渊区与高达7 μ $^{-1}$直径在几个电子伏的结合能范围，解决约$2.5\times10^5$数据体素。作为一个例子，我们目前的超快激发态动力学模型范德华半导体WSe $_2$的结果。
2019-09-18 cond-mat.mtrl-sci
Ultrafast transmission electron microscopy using a laser-driven field emitter: femtosecond resolution with a high coherence electron beam
介绍了第一台由场发射阴极局域光电发射驱动的超快透射电子显微镜的研制。我们描述的仪器，光电发射器的概念和实现的定量电子束参数的实施。哥廷根UTEM为超快TEM建立了一个新的源，它采用了肖特基发射器的纳米局域线性光电发射，从而实现了从连续波到飞秒脉冲模式的自由可调时间结构的操作。利用这种发射机制，我们实现了聚焦束径为9 μ m，脉宽为200 fs，能量宽度为0.6 eV的超快电子显微镜记录脉冲特性。我们说明的可能性进行超快成像，衍射，全息和光谱与此仪器，并讨论利用强激光场和自由电子束之间的量子相干相互作用的机会。
2016-11-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Few-nm tracking of magnetic vortex orbits and their decay with ultrafast Lorentz microscopy
透射电子显微镜是表征纳米磁性结构的最有力的技术之一。鉴于磁状态快速控制方案的重要性，时间分辨显微镜技术在基础和应用研究中受到高度追捧。在这里，我们实现时间分辨洛伦兹成像结合使用超快透射电子显微镜的同步射频激发。作为一个模型系统，我们研究了电流驱动的涡旋核心在2 $\mathrmμ$ m大小的磁性纳米岛的回转。我们记录的连续波激发的涡核的轨迹，实现了定位精度为$\pm$ 2 nm的几分钟的积分时间。此外，通过跟踪的核心位置后，迅速切断电流，我们发现一个时间硬化的自由振荡频率和增加的轨道衰减率归因于局部无序的涡旋势。
2019-07-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Clocking the anisotropic lattice dynamics of multi-walled carbon nanotubes by four-dimensional ultrafast transmission electron microscopy
四维超快透射电子显微镜（4D-UTEM）的最新进展使得在原子水平上直接可视化材料的结构动力学成为可能。在这里，我们报告我们的发展上的4D-UTEM，可以正常操作的光电发射或电子模式。我们证明了它的能力，以获得序列的快照具有高的空间和时间分辨率的多壁碳纳米管（MWCNTs）的晶格动力学的研究。这项研究提供了一个原子水平上的描述显着的各向异性晶格动力学在皮秒的时间尺度。此外，我们的UTEM测量清楚地表明，可区分的晶格弛豫出现在几皮秒的超快时间尺度上的管内片，然后沿径向的明显的晶格膨胀。多壁碳纳米管中的这些各向异性行为被认为是由多种化学键合引起的，即管状平面之间的弱范德华键合和管状片材中的强共价sp2杂化键合。
2014-10-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Coherent acoustic phonons emission in copper driven by super-diffusive hot electrons
超快激光激发的超热电子可以将能量以超音速的方式传输到远离它们最初产生的区域。我们表明，这种超快的能量传输是负责的相干声学声子的自由表面之下的铜金属样品的发射。特别是，我们证明了这些热电子在室温下在220 nm的距离上携带的足够的能量可以被转换成相干的声学声子。为了证明这种效果，几种配置的时间分辨光学实验的相干声学声子和热电子的飞行时间已经完成。
2013-04-19 cond-mat.mtrl-sci
Terahertz control in a transmission electron microscope
本文提出利用太赫兹单周期光在透射电子显微镜中实现电子脉冲的全光压缩与表征，并通过穿孔平行板波导抑制速度失配和磁力效应，最终实现原子与电子运动及其量子关联的高时空分辨可视化。
2024-02-26 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Ultrafast opto-magnetic effects induced by nitrogen-vacancy centers in diamond crystals
使用金刚石晶体中的色心的当前一代量子传感技术主要基于氮空位（NV）中心的量子能级之间的发光的谐振微波频率随温度、电场和磁场而变化的原理。这一原理使我们能够测量，例如，磁场和电场，以及与扫描探针显微镜（SPM）结合的纳米分辨率的局部温度。然而，由于有限的发光寿命，传统的量子传感技术的时间分辨率被限制为微秒。在这里，我们研究了含氮空位NV中心的金刚石晶体中的超快光磁效应，以将量子传感的时间分辨率提高到亚皮秒时间尺度。在飞秒泵浦-探测测量中，来自金刚石NV中心的自旋系综以亚皮秒光学响应的形式诱导逆Cotton-Mouton效应（ICME）。ICME的螺旋度和二次幂依赖性可以被解释为二阶光磁效应，其中NV电子自旋的集合充当ICME的源。这些结果为实现高分辨率时空量子传感技术与SPM技术相结合提供了基本指导。
2022-06-18 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Dynamics of Photo-excited Hot Carriers in Hydrogenated Amorphous Silicon Imaged by 4D Electron Microscopy
非晶半导体中的电荷载流子的动力学与晶体半导体中的电荷载流子的动力学根本不同，这是由于缺乏长程序和高缺陷密度。尽管密集的技术驱动的研究兴趣和存在完善的实验技术，如光电导飞行时间和超快光学测量，在非晶半导体中的光激发载流子的动力学的许多方面仍然知之甚少。在这里，我们展示了直接成像的载流子动力学的空间和时间光激发后，在氢化非晶硅（a-Si：H）的扫描超快电子显微镜（SUEM）。我们观察到一个意想不到的制度，快速扩散后立即光激发，随着自发的电子-空穴分离和原子无序引起的电荷捕获。我们的研究结果表明，丰富的动态热载流子输运在非晶半导体，可以揭示直接成像的基础上SUEM。
2016-10-10 cond-mat.mtrl-sci
Indirect multiphoton scattering between light and bulk plasmons via ultrafast free electrons
提出以超快透射电镜中的自由电子为量子中介，通过多光子吸收/发射与体等离激元散射路径的干涉，实现并表征光与体等离激元的间接相干耦合。
2025-07-24 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
In situ atomic force microscopy depth-corrected 3-dimensional focused ion beam based time-of-flight secondary ion mass spectroscopy: spatial resolution, surface roughness, oxidation
原子力显微镜（AFM）是一种用于研究表面粗糙度和收集关于样品顶部原子层特征的深度信息的公知工具。通过将二次离子质谱（SIMS）与扫描电子显微镜（SEM）中的聚焦离子束（FIB）铣削相结合，可以可视化溅射结构的化学信息并以高的横向和深度分辨率定位。在本文中，一个高真空（HV）兼容的原子力显微镜已安装在TESCAN FIB扫描电镜仪器，配备了飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）检测器。为了研究由ToF-SIMS溅射引起的凹坑的深度，随后在多层垂直腔面发射激光器（VCSEL）样品上进行AFM测量。表面粗糙度和铣削深度用于辅助溅射体积的化学组成的精确3D重建。分析了溅射过程中的分辨率、表面粗糙度和表面氧化问题。因此，互补检测器的集成开启了确定样品特性以及理解分析方法在分析期间对样品表面的影响的能力。
2020-03-30 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Breakthrough in HAXPES Performance Combining Full-Field k-Imaging with Time-of-Flight Recording
建立了一种新的硬X射线光电子能谱学（HAXPES）方法。仪器的关键特征是记录方案的维度从2D增加到3D。高能动量显微镜可以探测到初始动能大于6 keV的电子，具有< 0.1°的高角分辨率。特殊物镜的大k空间接受度允许同时对许多布里渊区进行全场成像。结合飞行时间并行能量记录，该方法产生最大的并行化的数据采集。在汉堡PETRA III的新光束线P22上进行的试验性实验中，在过渡金属的d带复合物中每秒超过$10^{6}$计数的计数率建立了前所未有的HAXPES记录速度。有人发现，层析k-空间映射的概念，以前证明在软X射线制度的工作同样好，在硬X射线范围。锐价带k-模式的Re收集在6 keV的激发能对应于直接跃迁到第28次重复布里渊区。鉴于高X射线亮度（在小于20 x 15 $mu^{2}$的光斑中为1.1 x $10^{13}$ hv/s），可以在几个小时内绘制3D体布里渊区。X射线光电子衍射（XPD）图的分辨率< 0.1°，可在数分钟内记录下来。衍射图中以前未观察到的精细细节反映了大量的散射体，根据能量的不同，有几个$10^{4}$到$10^{6}$。短的光电子波长（比原子间距离小一个数量级）放大了相位差，使具有高分辨率的硬X射线XPD成为非常灵敏的结构工具。高计数率为使用成像自旋滤波器的自旋分辨HAXPES铺平了道路。
2018-10-26 cond-mat.mtrl-sci
Efficient orbital imaging based on ultrafast momentum microscopy and sparsity-driven phase retrieval
我们提出了能量分辨的光电子动量地图的轨道断层扫描，已收集到一个新的和有效的飞行时间动量显微镜设置。该装置与0.5 MHz桌面飞秒极紫外光源相结合，可实现前所未有的数据收集速度，并为未来的时间分辨轨道成像实验铺平道路。此外，我们在轨道成像的数据分析过程中向前迈出了重要的一步，并提出了一个稀疏驱动的方法所需的相位恢复问题，它只使用轨道中的非零像素的数量。这里，不需要对象支持的知识，并且稀疏数可以容易地从测量数据确定。在放松的平均交替反射算法中使用，这种稀疏约束使我们的实验以及无噪声和嘈杂的模拟光电子动量图数据的快速和可靠的相位检索。
2020-03-23 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Ultrafast hybrid nanocomposite scintillators: a review
近年来，在高能物理和医学成像应用中出现了对具有高时间分辨率（优于100 ps）的闪烁探测器的需求。特别是，飞行时间正电子发射断层成像（TOF-PET）可以极大地受益于增强器的时间分辨率，这导致信噪比的增加、患者剂量的降低以及PET图像的优异空间分辨率的实现。目前，对各种类型的材料进行了广泛的研究，以实现最佳的时间分辨率。本文综述了近年来各种方法的最新进展，并对具有最佳时间特性的闪烁化合物进行了综述。综述了无机和有机材料中引起快速发光的物理过程。特别注意的是纳米复合材料，属于一个新的透视类的填充材料，由塑料基体，无机纳米晶填料，有机或无机发光活化剂和移位。讨论了现有和未来纳米复合材料搅拌器各部分的主要特点和功能。本文综述了近年来合成和研究的具有不同化合物和结构的纳米复合材料。
2022-09-13 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Influence of Photoemission Geometry on Timing and Efficiency in 4D Ultrafast Electron Microscopy
针对极低束流下4D超快电子显微镜性能范围不明确的问题，通过粒子追踪模拟研究离轴光发射几何结构的可调参数对电子团簇特性的影响，发现参数敏感性与非直观响应并给出实用建议。
2024-11-08 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A contamination-free electron-transparent metallic sample preparation method for MEMS experiments with in situ S/TEM
微机电系统（MEMS）目前正在支持材料科学和冶金学的突破性基础研究，因为它们允许在各种不同条件下，例如在超快加热和淬火速率下的极端材料动态以及复杂的电化学环境中，在电子显微镜内对纳米级材料进行原位实验。MEMS电子芯片的电子透明样品制备仍然是这项技术的一个挑战，因为现有的方法可能会引入污染物，从而破坏实验和结果分析。在此，我们介绍了一种简单，快速的MEMS电子芯片的电子透明样品制备方法，没有显着的污染。的样品的质量，以及它们的性能在MEMS电子芯片实验在原位的电子显微镜内进行评估，在热处理的交叉AlMgZn（Cu）合金。
2020-12-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Time- and Polarization-Resolved Extreme Ultraviolet Momentum Microscopy
本文研制了集成偏振可调超快XUV光束线与新一代动量显微镜的装置，实现高时间、能量和空间分辨的多模态二向色性测量。
2025-09-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Achieving 50 femtosecond resolution in MeV ultrafast electron diffraction with a double bend achromat compressor
提出并论证了一种产生超短、超稳定MeV电子束的新方案。在该方案中，在光阴极射频（rf）枪中产生的电子束首先在其自身的库仑力下膨胀，利用该库仑力在束纵向相空间中压印正能量啁啾。然后将束发送通过具有正纵向色散的双弯曲消色差透镜，其中具有较低能量的聚束尾部的电子遵循较短的路径，从而赶上聚束头部，导致纵向聚束压缩。我们表明，与优化的参数设置，从电子源到压缩点的整个束路径可以作出isoorthogonal的电子束的飞行时间是免疫的射频振幅的波动。利用激光驱动的太赫兹偏转器，测量了20 fC光束压缩后的束团长度和到达时间抖动分别为29 fs（FWHM）和22 fs（FWHM）。这种超短和超稳定的电子束使我们能够在MeV超快电子衍射中实现50飞秒（FWHM）的分辨率，其中在2.6 THz处清楚地观察到对应于Bismuth A1g模式的晶格振荡，而无需校正短期定时抖动和长期定时漂移。此外，由于提高了时间分辨率和增加了电子通量，与声子耦合和衰减相关的振荡弱漫散射信号也被清楚地解析。我们预计，这项技术将有一个强大的影响，在新兴的超短电子束为基础的设施和应用。
2020-03-18 cond-mat.mtrl-sci physics.acc-ph physics.atm-clus
Imaging Localized Variable Capacitance During Switching Processes in Silicon Diodes by Time-Resolved Electron Holography
本研究利用iGate时间分辨电子全息术，首次成像研究两种硅二极管开关过程中空间电荷区的局域电势动力学，揭示了不同器件的电容变化特性，验证了局域动态电势测量的优势。
2024-05-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Photon induced near-field electron microscopy from nanostructured metallic films and membranes
我们调查-实验和理论-非弹性之间的相互作用的快速电子和电磁场散射的金属孔和纳米结构的电介质膜，使用光子诱导近场电子显微镜。在高亮度超快透射电子显微镜中进行的实验-在氮化硅膜上的金孔上显示电子-光耦合强度的强烈调制。我们证明了这种效应是由孔径边缘散射的电场和介质膜对入射波的反射和透射共同作用的结果。此外，当在金属孔内添加纳米结构时，新的散射场干扰先前的贡献，从而在电子-光耦合强度的附加调制中压印纳米结构的光学响应。使用系统的电动力学模拟的基础上的绿色并矢方法，我们定量分析这些不同的贡献的电子-光耦合，并提出进一步的应用。
2023-03-20 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Combining Frozen Trajectory Excitation and TACAW for in silico Time-Resolved Vibrational Electron Energy Loss/Gain Spectroscopy
Uppsala University（乌普萨拉大学）；Poznan University of Technology（波兹南理工大学）；Polish Academy of Sciences（波兰科学院）
提出一种结合冻结轨迹激发（FTE）和辅助波函数时间自相关（TACAW）的计算框架，用于模拟非平衡晶格动力学的时间分辨振动电子能量损失光谱，并展示在fcc-Ni和3C-SiC中的应用。
2026-06-15 cond-mat.mtrl-sci
