具有极端材料对比度和短切换时间且退化可忽略不计的可切换材料可以有助于有源等离子体和纳米光子系统。为了了解它们的最高特性，研究人员必须收集有关纳米级过程的深入知识。在现在发表在Science Advances上的一项新研究中，Julian Karst 和德国斯图加特大学的一组科学家研究了金属镁 (Mg) 到介电氢化镁 (MgH 2 )的相变动力学的纳米细节，使用自由-站立薄膜在实验室中进行纳米成像。该团队使用了典型的 MgH 2声子共振以获得材料状态之间前所未有的化学特异性。结果揭示了在纳米晶形成过程中发生的成核过程。与宏观传播动力学相比，他们在纳米尺度上测量了更快的氢化物相传播。这种创新方法提供了一种工程策略，可以克服具有重大影响的有限扩散系数，以设计、开发和分析可切换的相变、储氢和生成材料。

保持突出的金属到绝缘体相变的材料是可切换光学和纳米光子系统的主要候选材料，并且已经进行了广泛的研究。这种材料在从金属相到介电相的转变过程中可以经历光学特性的极端变化，以形成高度相关的可切换光学和有源等离子体系统。在这项工作中，Karst 等人。选择镁 (Mg) 作为原型材料系统，因为它主要在储氢方面得到了广泛的研究。在其初始金属状态下，镁是一种极好的等离子体材料。当元素暴露于氢 (H 2)，发生从金属镁到电介质氢化镁 (MgH 2 )的相变，以形成高度透明的电介质材料。MgH 2相在完全循环转变中可逆为金属Mg 状态。该概念允许研究人员控制和可逆地打开和关闭镁纳米结构的等离子体共振，用于可切换超表面(如 Mg-to-MgH 2)、动态全息术或等离子体彩色显示器中的应用。

在实验过程中，科学家们使用预涂有 2 至 3 纳米钯 (Pd) 薄膜的金网格。Pd 充当催化层以分裂氢分子并使其扩散到 Mg 膜中。该团队使用钛 (Ti) 来防止 Mg 和 Pd 之间的合金化，这可能会形成氢扩散屏障。在实验装置中，氢气进入独立的薄膜，而镁仍然可以用于散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM) 测量。喀斯特等。扫描 s-SNOM 的尖端穿过暴露的镁表面，以纳米分辨率观察和研究氢化物形成和氢扩散到薄膜中的时间动力学。当他们将薄膜暴露在氢浓度为 2% 的氮 (N 2)，高反射性金属镁薄膜切换到电介质 MgH 2，呈现黑色。

s-SNOM 测量提供了两个主要量，拓扑信息和与复杂介电函数相关的局部光学特性信息。然后，该团队对整个样品表面的 s-SNOM 装置内的原子力显微镜悬臂进行光栅扫描，以提供表面形貌。解调和检测技术使他们能够以纳米级分辨率获得有关局部特性的信息。为了探测材料的局部特性，Karst 等人。用强光场照射尖端，并注意到散射幅度受薄膜形貌和局部特性变化的影响。然而，检测到的 Mg(蓝色)和 MgH 2的散射相由于 MgH 2的特征红外声子，(红色)区域显示出强烈的相位对比，以描绘与金属区域相比氢化区域的独特特征。根据这些发现，Karst 等人。通过将相图与晶界图重叠来检查散射相图，以在选定的时间步长中可视化 Mg 中的原位氢吸收，进一步研究了自支撑 Mg 膜的氢化。

进一步的分析使该团队能够区分 Mg 中的纳米级和宏观氢化物相传播动力学，以深入了解单个晶粒尺度的氢化。Mg薄膜中的氢扩散取决于材料的形态。在每个单独的晶粒之后，膜的氢化停止，在下一个晶粒转变之前允许新的成核。然而，即使在氢化 60 分钟后，该团队仍观察到薄膜表面有大量原始金属镁，这与之前的文献相矛盾在镁上。喀斯特等。将此行为归功于几个因素，包括形成阻挡层以阻止设置中的垂直氢前沿进展，这可能使表面处于原始状态。他们还指出，氢暴露时改变的薄膜形态和薄膜膨胀是可能的影响因素。

通过这种方式，Julian Karst 及其同事在实验室中使用 s-SNOM 研究了纳米级氢扩散动力学。基于 MgH 2的特征红外声子共振，它们允许化学特异性跟踪氢化物形成、成核和横向生长。该过程受到 Mg 薄膜纳米级形态的高度影响，这也是氢在整个薄膜中缓慢扩散的原因。该团队注意到氢化过程如何在整个薄膜切换之前停止，在介电质 MgH 2 中留下金属 Mg 区域. 这些发现对使用镁和其他过渡材料的一系列有源光学和等离子体系统产生了直接影响。这项工作是向前迈出的重要一步，可以增强和理解跨可切换材料的相变的扩散动力学、动力学和效率。

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标签： 原位氢扩散动力学