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Thesis

Structural Dynamics and Atomic Motion in Thin Films Studied by Ultrafast Electron Diffraction and Transient Optical Spectroscopy

MPS-Authors
/persons/resource/persons136076

Badali,  Daniel S.
International Max Planck Research School for Ultrafast Imaging & Structural Dynamics (IMPRS-UFAST), Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, Max Planck Society;
Miller Group, Atomically Resolved Dynamics Department, Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, Max Planck Society;

External Ressource
Fulltext (public)

Dissertation_DanielBadali.pdf
(Publisher version), 19MB

Supplementary Material (public)
There is no public supplementary material available
Citation

Badali, D. S. (2016). Structural Dynamics and Atomic Motion in Thin Films Studied by Ultrafast Electron Diffraction and Transient Optical Spectroscopy. PhD Thesis, Universität Hamburg, Hamburg.


Cite as: http://hdl.handle.net/21.11116/0000-0001-D90C-E
Abstract
Because of their unique structure, thin films provide an unprecedented view into the fundamental physics of a two-dimensional world. There is also an enormous demand for such materials in applied fields, and many thin films find use as platforms for device applications. To further our understanding of such materials, this thesis investigates the properties of thin films on the time- and length-scales associated with atomic motions. To do this, two techniques with access to these extreme scales were used: transient spectroscopy, and ultrafast electron diffraction. Transient spectroscopy is equipped with the temporal resolution required to witness chemical dynamics; this fact is demonstrated in this thesis by an experiment which probes the ultrafast formation of graphene from an oxidized precursor. However, only ultrafast electron diffraction has the spatial resolution required to watch atoms move in real time. Thin films add another layer of complexity to such already challenging experiments due to the fact that they typically have a minimal response to optical and electron probes as a result of their low-dimensionality. To address this issue, this thesis introduces several novel design principles in order to optimize ultrafast electron diffraction for studying thin films and monolayers. This culminates in the construction of a low-energy electron diffractometer, the first of its kind in the world. The successful demonstration of this machine to study the transient electric fields produced near a laser-irradiated graphene surface confirms that the electron diffraction can interrogate the two-dimensional world. However, this device, as with all conventional ultrafast electron diffractometers, is poorly-suited to investigate irreversible reactions, a restriction that has recently been lifted with the advent of ultrafast streak cameras. Because streaking is a fairly new technique, there are many open questions as to how to interpret the streaked diffraction data. In this thesis, ultrafast streaking is put on firm theoretical grounds through the development of a new analysis approach that allows the entire time-dependent diffraction pattern to be recovered from a single streaked diffraction image. This development enables access to the entire range of possible thin film dynamics, both reversible and irreversible.
Wegen ihrer einzigartigen Struktur bieten dünner Schichten eine noch nie da gewesenen Einblick in der Grundlagenphysik einer zweidimensionalen Welt. Es gibt auch eine enorme Nachfrage nach solchen Materialien in angewandter Felder und viele dünne Schichten finden Verwendung als Plattformen für Elektronik. Um unser Verständnis solcher Materialien weiter, untersucht diese These die Eigenschaften dünner Schichten auf die Zeit- und Längenskalen mit atomaren Bewegungen verbunden. Hierzu wurden zwei Techniken mit Zugang zu diesen extremen Skalen verwendet: transient Spektroskopie und ultraschneller Elektronenbeugung. Transiente Spektroskopie hat die zeitliche Auflösung benötigt, um chemische Dynamik zu beobachten; Dies wird in der vorliegenden Arbeit durch ein Experiment veranschaulicht das ultraschnelle Bildung von Graphen aus eine oxidierte Vorläufer untersucht. Allerdings hat nur die ultraschnelle Elektronenbeugung die räumliche Auflösung, Atome in Echtzeit bewegen zu sehen. Dünnschichten erschweren solche bereits anspruchsvolle Experimente, dass sie eine kleine Reaktion auf optische haben und Elektron-aufgrund ihrer niedrigen-Dimensionalität Sonden. Um dieses Problem zu beheben, führt diese These mehrere neue Design-Prinzipien zur Optimierung der ultraschnellen Elektronenbeugung Studium von Dünnschichten und Monolayers. Dies gipfelt in den Bau von Niedrigenergie-Elektron-Diffraktometer, das erste in der Welt. Die erfolgreiche Demonstration dieser Maschine die transiente elektrische Felder produziert in der Nähe ein Laser bestrahlt Graphen-Oberfläche zu studieren bestätigt, dass die Elektronenbeugung die zweidimensionale Welt befragen kann. Diese Maschine ist jedoch schlecht untersucht irreversible Reaktionen, ein Problem, das vor kurzem mit der Erfindung des ultraschnellen Streakkameras gelöst worden ist. Da Streifen eine neue Technik ist, gibt es viele offene Fragen zum gestreift Beugung Daten interpretieren. In der vorliegenden Arbeit ist ultraschneller Streifen setzen auf gute theoretische Gründe durch die Entwicklung eines neuen Analyse-Ansatzes, mit der das gesamte zeitabhängige Beugung Muster von einem einzigen gestreift Beugung Abbild wiederhergestellt werden kann. Diese Entwicklung ermöglicht den Zugriff auf die gesamte Palette der möglichen Dünnschicht-Dynamik, sowohl reversible und irreversible.