Bukminsterfuleren Nanocrystals üzerinde gerçekleştirilen Femtosecond kırınım deneyler sırasında uzun menzilli elektronik korelasyon ölçümleri

XFEL toz kırınım % 100 olay akı XFEL toz Difraksiyon sonucu 2 daha iyi çözünürlüğe sahip tam bir toz yüzüğü üretmek için 1000’den fazla tek-shot ölçümleri özetleme için sunulan veri Å. Toz Difraksiyon profilleri karşılaştırma Bragg doruklarına kırınım halkaları için tespit ve ilk (en yoğun) tepe yansıma (111) ölçekli. Şekil 3 üç farklı kırınım çizgi profil gösterir. Üç kırınım desen çizgi profilleri karşılaştırarak, kırınım adet Avustralya sinkrotron kaydı hemen hemen % 10 XFEL verilerde görülen Bragg profil için aynıdır gözlemlemek. Bragg tepeler, ama onların konumlarını göreli Heights’daki bazı çok küçük farklılıklar gözlenmektedir. Tezat, % 100 güç XFEL toz Difraksiyon veri profil ek doruklarına % 10 XFEL veri profili, ne de sinkrotron veri profil görmedim varlığını ortaya koymaktadır. Bu ilave yansımaları yerlerini Tablo 1′ de tanımlanır. Bu farklılıklar yorumlamak için bir oda sıcaklığında FCC C60 kristal beklenen kırınım modeline bir ayar inşa edilmiştir. X-ışını kırınım Oda sıcaklığı FCC C60 yapı modelleme Toz Difraksiyon doruklarına kalma bir Bragg yansımaları ile ilişkili yoğunluğunu şöyle verilir: (1), nerede saçılma vektör K ölçek faktörü olduğunu çokluğu faktördür Lp Lorentz-polarizasyon faktör olduğunu W() en yüksek profil işlevidir ve M sayısı C60 molekülleri saçılma birimin pozisyonlar rmyer yer alan. Moleküler form faktörü (MFF), , C60 molekül tarafından verilmektedir (2),rj jth Karbon atomu bulunduğu molekül ve fc nerede Karbon atomu atom saçılma faktördür. Kristal birim hücre parametrelerinin bir x-ışını toz kırınım deseni için izin verilen yansımaları konumlarını tanımlayın. C60, x-ışını kırınım deneyinde, deneysel geometri ile birlikte bilinen oda sıcaklığında FCC parametreleri (birim hücre uzunluğu, birim hücre içinde molekül pozisyonlar) kullanarak yapabilirsiniz beklenen pozisyonlar zirvesinin (Bragg yansımalar) C60 ve EQ 1 ve EQ 2 için MFF kullanılarak hesaplanması. X-ışını kırınım % 100 XFEL veri modelleme Önemli distorsiyonları/dönüşümler veya ideal konumlarını gelen çekirdeklerin talebiyle 32 fs sırasında meydana gelmez varsayarak tarafından başlamadan süresi içinde önerilen önceden olay darbesinin çalışmalar23,24. Aksine, % 100 XFEL verilerde görülen yoğunluklarda bu önemli değişiklik yerine C60 moleküllerinin elektronik yapısı hareketleri tarafından yönlendirilmesi gerekir. Aşağıda biz % 100 XFEL kırınım, veri yolu ile bir değişiklik C60 moleküllerin centro simetrik dağılım deneysel olarak gözlenen özellikleri üretir bir modeli açıklar. Normal, tarafsız haliyle C60 kristal yapısını elektron yoğunluğu ani dalgalanmalar tarafından indüklenir dipolar Kuvvetleri tarafından korunur. Burada açıklanan deneysel koşullar altında ancak, iyonizasyon sisteminin molekülleri elektrik dipol anlarda kutuplaşma tarafından ikna güçlü bir iç elektrik alanı oluşturur. Daha önce C60 yılında dipoller oluşumu sadece tek molekülleri ve UV spektroskopi25gibi optik teknikleri kullanan küçük kümeler gözlenmiştir. Böylece etkileri crystallographic x-ışını kırınım deseni gözlenmektedir ancak, gözlenen elektron yoğunluğu dağıtılması besbelli uzun menzilli ve XFEL darbe süresi göreli olarak uzun ömürlü işte. Coulomb etkileşim ile komşu dipoller hizalamasını ve bir nükleer yapısını 10 fs sırasına timescales üzerinde elektronik yapısından ayırımı sonuçlanır. Bu hizalama etkiler ortaya çıkan simetri C60 molekülünün kullanılıyorsa (bkz. şekil 4). C MFFs60 molekülleri artık gerçek ama karmaşık işlevleri olduğundan molekül küresel simetri kaybı saçılma genlik ek faz katkısı yol açar. Düzenli olarak değişen MFF minci molekül elektron yoğunluğu dağıtımını kristal yapısı içindeki konumuna göreceli olarak yerlerinden olduğunu bir asimetrik moleküler yetkili Dağıtım oluşumunu modellemek için kullanıldı. C60 MFF için bu değişiklik ile % 100 XFEL verilerde görülen yoğunluk profil çoğaltmak başardık. EQ %2 100 XFEL veri XFEL kaynaklı dipoller oluşmuştur uzun menzilli elektronik korelasyon yakalar saçılma faktörü için bir ifade oluşturmak için temel sağlar. Bundan polarize C60 moleküller için hesabına değiştiren yeni bir MFF işlev inşa edilebilir: (3), nerede (EQ 2 tarafından verilen) ideal C60 molekülleri MFF olduğunu ve indüklenen XFEL dipol polarizasyon vektör tanımlar. Limit , EQ 3 yaklasik EQ 2 ve oda sıcaklığında % 10 güç kırınım veri kurtarılır. Olarak6/56296eq12.jpg”/ > artar, molekülün simetri değişir ve olası kırınım doruklarına oranları değişebilir başlar. Kübik kafes polarize molekülleri gerçek dağılımı ortaya çıkan kırınım deseni etkiler. Ne zaman , C60 molekül simetri değişmiş ve göreceli olarak düşük güç kırınım deseni değiştirmek tüm olası kırınım doruklarına oranları başlayabilirsiniz. Bu model, değerleri için verilerin sığması amacıyla 20 ° ≤ 2çap ≤ 30 ° aralığındaki saçılma Angles için iyi anlaşma gösterilen keşfedilmeyi . Bu denemenin amacı FCC C60 nanocrystals için ölçülen diffracted yoğunluklarda Karbon atomu K kabukta Stokastik hangi photoionisation derecesini etkiler ölçü birimi oldu. Photoionisation K-deniz hayvanı kabuğu elektronların içinde Karbon atomu (elektron bağlama enerji 284 eV =) atom saçılma faktörler, fc, yüksek içinde azaltılmış saçılma genlik olarak görülen değiştirir saçılma bölgeler. Karbon atomu bir kristal kafes içinde düzenlenmiş C60 molekülleri içinde delikler K-kabuk saçılma genlikleri Bragg yansımaları değişiklikler neden olur. Bir büyüyen izotropik arka plan, toz nanocrystal örnekleri aşağıdaki temel varsayımları göre uygulanan foton akı bağımlı gözlemlemek bekleniyor: 1) karbon K kabukta photoionisation içinde baskın bir süreçtir örnek-XFEL etkileşim, 2) o photoionisation bireysel Karbon atomu kristal, 3 diğer atomlar ilişkili değil) photoionized elektron darbe süresince delocalized kalır ve bu nedenle sürekli arka planına katkıda sinyal. Biz aslında denemede gözlenen güçlü, varlığı oda sıcaklığında, FCC nanocrystals örnek % 100 güç XFEL bakliyat maruz kaldığı zaman C60 yansımalar yasak idi. Gözlenen yansımaları yasak hesap delocalized, rastgele iyonizasyon olayları olamaz. Şekil 3 çekici bir düşüş izin verilen FCC yansımaları ile yoğunluklarda rastlayan bu yasak yansımaları, görünümünü gösterir. Bu değişiklikler herhangi bir belirli orientational kristal kafes içinde ideal C60 moleküllerin sipariş ederek tarif edilemez. Bizim analiz1, ilişkili, her C60 molekül (EQ 4), centrosymmetric şarj dağıtım göre ( içinde görülen deneysel verilerin bir modeli toz Difraksiyon profil üreten tek yolu olduğunu kanıtlamıştır Şekil 5). Karşılaştırma için tüm veri ve modelleri şekil 6aynı eksende birlikte ama dikey ile ilgili bir başka mahsup gösterilir. Şekil 1. XFEL toz Difraksiyon örnek kurulum ve geometri (a) tarama modu C60 kristal toz sabit hedef için kullanılan örnek sahibi. Örnek çerçeve alüminyumdan inşa edilmiştir. Belirtilen ölçüler mm. yaklaşık boyutlardır örnek hücre polimid desteğiyle uygulanan bir destek () üç (koyu renkli hücreler olarak görülen) hücre uygulanan 2 mm x 12 mm. (b) C fotoğraf60 kristal toz birimleridir Sarı film üstünde tepe-in örnek sahibi). (c) şeması C60 deneme. X-y yönde düzeni Imaging anlık görüntüdeki taranan raster örneğidir. K-B aynalar örnek 300 nm x 300 nm spot boyutuna XFEL ışını odaklanır. Örnekleri örnek koşullar stabilize ve saçılma kaynakları örnek dışında ile x-ışını etkileşim olasılığını en aza indirmek için vakum yapılır. Gelen XFEL bakliyat örnek sahibi hücrelerde düzenlenen kristal toz vurmak ve kırınım deseni CSPAD dedektörü kaydedilir. 1.5 Å çözünürlüğe dedektörü mesafe 79 mm. için örnek ayarlayarak elde a daha büyük versiyonunu görüntüleyin Bu rakam için buraya tıklayınız. Şekil 2. CSPADUnutmayın beyaz ölçek çubuğunda bir), b) ve d) 40 mm temsil eder. (a) CSPAD darkfield. Dedektör oluşur hangi konumları değişmiş concentrically dışa doğru kayıt yüksek açı kırınımı için gerektiği gibi hareket ettirerek 32 dikdörtgen modüllerin. (b) ham veri çerçevesi (sağ üst kadran, 1000’den fazla çerçeve toplanır) arka plan ve darkfield düzeltme önce toplanır. (c) bireysel kırınım seyreklik kırınım sinyal gösteren anlık görüntüler. (d) toz Difraksiyon halkalar için tek tek kare uygulanan arka plan sinyal çıkarma ile 1500 kırınım çerçeveler toplayarak gerçekleştirilen kırınım profil de gösterilen tanımlı. Şekil 3. Toz Difraksiyon veri (a) Azimuthally % 10 XFEL veri kümesi, % 100 XFEL veri kümesi ve sinkrotron veri kümesi için kırınım desen ortalama. FCC Bragg zirvesinin pozisyonlar tutarlı bir oda sıcaklığı60 FCC yapısı ile gösterilir. (b) yansımaları saçılma açıları 10⁰ ≤ 2çap ≤ 13⁰ diğer iki profilde görmedim arasında % 100 FCC yapısında mevcut gösterilen iç metin bölge. (c) farklı en yüksek profil saçılma açıları 20⁰ ≤ 2çap ≤ 28⁰ arasında % 100 XFEL veri gösteren iç metin bölge. % 10 XFEL veri ve sinkrotron veri FCC yapıları için seçim kuralları elektronik olarak centrosymmetric moleküllerden oluşan tatmin. Ancak ilave tepeler (yansımalar) % 100 XFEL verilerde görülen varlığı bu seçim kuralları ihlal. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. e = “1” > Şekil 4. C60 geçici bozulmaFCC kafes yapısı içinde dipoller hizalama ilişkili elektronik geçici aşamasında görselleştirme. C60 molekülleri mavi küre tarafından temsil edilir ve kırmızı ipuçları sipariş edilen dipoller yönünü temsil eder. Şekil 5. Toz Difraksiyon modeliToz Difraksiyon profil (Eq 1 ve 2 kullanarak) C60 FCC yapısını modelleme tarafından oluşturulan XFEL darbe (Eq 1 ve 3 kullanarak) bir % 100 yoğunluk tabi C60 FCC yapısının bir modeli ile karşılaştırıldığında. Tepeler etiketli Bragg tespit. Faiz (20° ≤ 2θ ≤ 30°) bölgenin noktalı çizgiyle vurgulanır. Her ne kadar izin verilen yansımaları iyi yoğunluğunu FCC modeli açıklar, çok sayıda ek tepeler (bkz: şekil 2a ve b) % 100 yoğunluk XFEL veri gözlenen varlığı açıklamaz. Bu basit çeviri moleküler kümesinin (şekil 3) kübik kafes crystallographic ekseni boyunca bize kübik polarize C60 molekülleri orientational sipariş eksik bir resim verir nedeni kafes. Buna karşılık hesabı iyonize kaynaklı hizalamasını ( şekil 4′ te gösterildiği gibi) FCC kafes içinde dipoller içine alır, % 100 XFEL modeli tüm ek doruklarına % 100 yoğunluk XFEL veri gözlenen üretir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 6. Model ve veri arasında toz profili karşılaştırmaÜç kırınım desen çizgi profillere nitel karşılaştırılması farklı aydınlatma koşullarında deneysel olarak kaydedildi. Ayrıca, line profiller hesaplanan denklemler 2 ve 3 kullanarak bizim model gösterilir. Bu düzenli olarak değiştirilmiş MFF giriş, % 100 XFEL modeli satır profili bizim % 100 XFEL veri ile aynı fikirde açıktır. Ölçülen saçılma açıları ilave yansımaları (değ.) Hesaplanan saçılma açıları ilave yansımaları (değ.) 21.31 21,25, 21.45 23.23 22,99, 23.02, 23,39 24.44 24.29, 24.43, 24.47, 24.64 26,6 26.51, 26.67 Tablo 1. XFEL verilerde görülen Bragg yansımalarBragg yansımaları kümesi içinde ölçülen 20⁰ ≤ 2çap ≤ 30⁰ % 100 XFEL Difraksiyon veri hem hem o için hesaplanan Eqns. 1-4 kullanarak. Molekül konumunu Hizalama (0,0,0) (0.5,0.5,0) (0.5,0,0.5) (0,0.5,0.5) Tablo 2. FCC moleküler hizalama sırasında geçici aşama korelasyonBu tablo XFEL darbe sırasında deneyimli kristal ilişkili geçici aşamasında polarize C60 molekülleri hizalamasını tanımlar.