Ultrafast single-electron diffraction at 100 keV and investigation of carbon-nanotube dynamics

Time-resolved electron diffraction is a powerful tool to observe ultrafast structural dynamics in materials and molecules with atomic spatial as well as temporal resolution. Due to Coulomb repulsion, however, the use of only single-electrons or few-electrons per pulse is inevitable to reach the shortest pulse durations. Electrons have rather high scattering cross sections and thus experiments in transmission require ultrathin samples in the nanometer-range, making sample preparation very challenging. Up to now, ultrafast single-electron diffraction was only demonstrated at an electron energy of 30 keV; these measurements were performed in our group at the “UED1-beamline”. This work introduces our second-generation beamline, “UED2”, where the electron acceleration voltage is upgraded from 30 to 100 kV, which allows the investigation of significantly thicker samples. This is decisively widening the range of complex materials that can be studied. In the experiment, electron pulses are generated by a two-photon photoemission process and the long-term stability of the source is shown. The samples can be placed in transmission as well as grazing-incidence geometry. To achieve phase-matching between the optical and electron pulses, tilted optical pulses can be applied. We figured out that to avoid temporal distortions in tilted pulses, a geometry must be chosen in which the propagation direction of the tilted pulses is perpendicular to the grating’s surface. Furthermore, temporal distortions for ultrashort electron pulses caused by misaligned magnetic lenses are examined. It is found that a displacement or tilt of the lens causes significant temporal aberrations on a femtosecond time scale and pulse-lengthening is only minimized if the beam travels precisely on the symmetry axis. An experimental procedure detailed here for aligning lens-position and -tilt reduces the aberrations to less than one femtosecond. For the “UED2-beamline”, a new laboratory was established and a first time-resolved electron diffraction experiment at this beamline performed. Anisotropic ultrafast atomic motion in carbon-nanotubes was observed, revealing the nature of the system’s chemical bonds, which vary from relatively weak van der Waals to strong covalent interactions. In summary, it is thus shown that ultrafast electron diffraction at 100 keV with single/few electrons per pulse is an excellent method to study ultrafast atomic-scale dynamics even in complex solid samples with the highest possible resolution in space and time.Zeitaufgelöste Elektronenbeugung ist ein mächtiges Werkzeug, um ultraschnelle strukturelle Dynamik in Materialien und Molekülen sowohl mit atomarer räumlicher als auch zeitlicher Auflösung zu beobachten. Wegen der Coulombabstoßung ist allerdings die Verwendung von nur einem Elektron, oder wenigen Elektronen, pro Puls notwendig, um die kürzesten Pulsdauern zu erreichen. Elektronen haben recht hohe Streuquerschnitte und deshalb braucht man für Experimente in Transmission sehr dünne Proben, die nur wenige Nanometer dick sind; dies verursacht große Schwierigkeiten bei der Probenherstellung. Bisher wurden ultraschnelle Einzel-Elektronen-Beugungsexperimente nur bei einer Elektronenenergie von 30 keV gezeigt; diese Messungen wurden in unserer Gruppe an der „UED1-Beamline“ durchgeführt. Diese Arbeit stellt unsere Zweite-Generation-Beamline, „UED2“, vor. Die Beschleunigungsspannung der Elektronen wurde hierbei von 30 auf 100 kV erhöht, was die Untersuchung signifikant dickerer Proben ermöglicht. Im Experiment werden Elektronenpulse durch einen Zweiphotonen-Photoprozess erzeugt und die langfristige Stabilität der Quelle wird gezeigt. Die Proben kann man sowohl in Transmission als auch im streifenden Elektronen-Einfall (grazing-incidence) platzieren und um Phase-Matching zwischen den optischen und Elektronenpulsen zu erreichen, können verkippte optische Pulse verwendet werden. Um zeitliche Verzerrungen (Distorsionen) in den verkippten Pulsen zu vermeiden, muss die Geometrie für deren Erzeugung so gewählt werden, dass die Ausbreitungsrichtung der verkippten Pulse senkrecht zur Gitteroberfläche ist. Dass und wie dies möglich ist, wird hier gezeigt. Außerdem werden zeitliche Distorsionen in ultrakurzen Elektronenpulsen, die durch schlecht justierte Magnetlinsen verursacht werden, untersucht. Es zeigt sich, dass eine Verschiebung oder Verkippung der Magnetlinse zu signifikanten zeitlichen Aberrationen im Femtosekundenbereich führt und diese Pulsverlängerungen nur minimiert werden können, wenn der Strahl genau auf der Symmetrieachse der Linse liegt. Ein hier experimentell gezeigtes Verfahren zum Ausrichten von Linsen-Position und Neigung verringert die Aberrationen auf weniger als eine Femtosekunde. Für die „UED2-Beamline“ wurde ein neues Labor eingerichtet und ein erstes zeitaufgelöstes Elektronenbeugungs-Experiment an dieser Beamline durchgeführt. Eine anisotrope Bewegung der Atome in Kohlenstoff-Nanoröhrchen wurde beobachtet, welche die Natur der chemischen Bindungen in diesem System widerspiegelt, die zwischen relativen schwachen van der Waals und starken kovalenten Wechselwirkungen variiert. Insgesamt ist damit gezeigt, dass ultraschnelle zeitaufgelöste Elektronenbeugung bei 100 keV mit einzelnen/wenigen Elektronen pro Puls eine hervorragende Methode darstellt, ultraschnelle atomare Dynamik auch in komplexen Festkörperproben mit höchstmöglicher Auflösung in Raum und Zeit untersuchen zu können