Picosecond X-ray Diffraction Studies of Bulk and Nanostructure Materials

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Snabba fenomen, som inträffar efter laserexcitation, har studerats med tidsupplöst röntgendiffraktion (TXRD). I de flesta experimenten har en ljuspuls från en femtosekundlaser använts för att excitera provet, och dynamiken har undersökts med röntgenljus. Tidsupplösta röntgendiffraktionsmätningar har utförts för att studera fasta halvledarmaterial, vätskor, ferro-elektrisk domänswitchning i kaliumdivätefosfat (KDP) och tryckvågsutbredning i grafit och halvledande nanotrådar. När en laserpuls absorberas av ett fast material kan en mängd olika fasövergångar och andra fenomen induceras. Om laserpulsen innehåller tillräckligt mycket energi för att smälta materialet, kan repetitiv belysning skapa periodiska strukturer på provets yta. Denna effekt har studerats med statisk röntgendiffraktion, och har visat sig vara viktig då vätskespridningsexperiment utförs på repetitivt smälta prover. När energin i laserpulsen inte är tillräcklig för att inducera smältning kan koherenta fononer exciteras. Denna effekt har studerats i halvledande nanotrådar. Tidsupplösningen för en synkrotronljuskälla bestäms av längden av en elektronpuls i lagringsringen, och är typiskt 50 - 300 ps. Bättre tidsupplösning kan uppnås genom att använda kortare röntgenpulser, som de som produceras vid Swiss Light Source (SLS), eller snabba detektorer, som t.ex. streak-kameran som används vid MAX-lab. Röntgendiffraktion är en mycket känslig teknik för att studera strukturer, eftersom röntgenfotoner sprids från alla elektroner i provet. Spridd röntgenstrålning kan användas för att rekonstruera provets atomära struktur. I TXRD exciteras provet och belyses därefter med röntgenljus efter en given tidsfördröjning. Detta ger en ögonblicksbild av strukturen vid en tidpunkt. Flera bilder kan sammanställas för att skapa en film som visar de strukturella ändringarna i realtid. Detta har uförts med nanosekund-upplösning vid MAX-lab när en laser-genererad vätska studerades. Utvecklingen av en streak-kamera med tidsupplösning bättre än en pikosekund har varit en förutsättning för flera av studierna som presenteras i denna avhandling. Denna detektor har använts för att studera akustiska vibrationer i nanotrådar av indiumantimonid (InSb). Oscillationer med en period av 30-70 ps har detekterats, och har härletts till akustiska fononer i nanotråden. En dramatisk sänkning av ljudhastigheten har också observerats i dessa strukturer.