초고속 전자 현미경(Ultrafast electron microscopy, UEM)은 다양한 재료 시스템과 과학 분야 전반에 걸쳐 폭넓게 적용된다. UEM에서는 마이크로미터에서 옹스트롬에 이르는 공간 영역, 상호공간(reciprocal space)에서의 동역학, 그리고 마이크로초에서 아토초에 이르는 시간 척도에서 다중 스케일 역학을 조사하며, 에너지 분해능은 수 eV(전자볼트) 이하이다. 특히 UEM은 높은 국소 선택성을 바탕으로 초고속 구조 동역학을 시각화하는 데 중추적인 역할을 해왔고, 그 결과 비평형 상태에서 화학 결합의 동적인 성질을 탐구할 수 있으며, 자유전자 파동함수를 조작하기 위한 전자–광자 상호작용에 대한 연구도 가능하게 하였다. 이러한 돌파구는 응집물질 물리학, 화학 동역학, 양자 전기역학 분야에 새로운 기회를 창출하였다. 또한 빛–물질 상호작용과 구조–동역학–기능의 관계를 포괄적으로 규명하기 위해, 단일 장비에서 상관적 실공간 현미경을 회절촬영(diffractography) 및 분광학과 결합하여 고해상도 UEM을 달성하려는 노력이 진행 중이다. 본 총설에서는 UEM 영상화 역량과 과학적 관심사의 현재 수준을 개관하고, 관련 분야에서 UEM이 직면하는 기술적 과제를 개략적으로 제시한 뒤, 이러한 과제를 극복하기 위한 잠재적 접근 방안을 모색한다. 아울러 새롭게 부상하는 관심 분야를 강조하고, UEM의 영상화 역량을 한층 더 확장할 수 있는 향후 전망을 제시한다.

sites는 과도(일시적) 극자외선 분광법으로 측정되며, 폴라론이 형성되기까지는 수 ps(피코초) 동안 지속된다. 그 결과로 나타나는 작은 폴라론 형성 시간은 이전 측정치보다 한 자릿수(10배) 더 길며, 여기 상태에서도 얕은 퍼텐셜 우물을 시사한다. 본 결과는 수송, 촉매작용, 그리고 광여기 응용 분야에서의 작은 폴라론에 대해, 전자-포논에 의해 유도되는 격자 변화뿐만 아니라 동적인 전자-전자 상관을 고려하는 것이 중요함을 강조한다.

투과전자현미경에서 에너지 필터를 사용하면 원자 규모의 원소 매핑이 가능해졌고, 각각 비탄성 및 탄성 이미징 전자를 선택적으로 게이팅함으로써 구조 규명의 정밀도가 향상되었다. 여기서는 원자 운동의 영역을 향해 시간 분해능을 향상시키기 위해 초고속 전자현미경에서 에너지 필터를 사용한다. 광범위한 종방향 운동량 분포를 갖는 조밀한 chirped 포토전자 패킷으로부터 좁은 에너지 분포의 이미징 전자를 선택함으로써, 수 fs(펨토초) 시간 정밀도로 일시적 구조를 가시화하는 데 성공하였다. 그 결과 일반적으로 picosecond(피코초) 지속시간을 보이는 전자를 이용할 수 있었다. 본 연구에서는 대표적인 강상관계인 이산화바나듐(VO2) 나노입자의 이질적인 초고속 상전이를 촬영하고, 서로 다른 국소 변형으로 인해 나타난 일시적 저대칭 금속 상의 출현에 이를 귀속시켰다. 우리의 접근법은 전자현미경이 원자핵의 기본적 운동 시간 척도에 접근하여, 나노스케일에서 물질의 구조 역학이 시작되는 순간을 가시화할 수 있게 한다.

전자 에너지 손실 분광법(Electron energy-loss spectroscopy, EELS)은 x선, UV-Vis, IR 분광법과 유사한 정보를 측정할 수 있지만, 원자 분해능과 산란 단면적의 증가를 제공한다. 최근 전자 단색화 장치(electron monochromators)의 발전은 EELS의 역량을 화학적 동정에서 시작하여, 싱크로트론 수준의 코어-로스(core-loss) 측정의 영역으로까지 확장했으며, 또한 포논, 엑시톤, 원자가 구조(valence structure)와 같은 저손실(low-loss), 10–100 meV 여기(excitation)에까지 확장하였다. EELS 측정은 투과전자현미경(TEM)에서 전자 회절(electron diffraction) 및 원자 스케일의 실공간 영상(atomic-scale real-space imaging)과 용이하게 연계되어, 준입자 및 결합(bonding) 상태의 국소적 모습을 상세히 제공할 수 있다. 본 관점(perspective)은 기존의 고분해능 EELS(HR-EELS) 역량을 개괄하는 한편, 해당 분야에서의 강력한 다음 단계인 TEM 내 초고속(ultrafast) EELS를 촉진하고자 한다. 초고속 EELS는 공간적으로 특정된 여기 상태 현상을 더 잘 이해하기 위해, 원자 수준의 정밀도, 원소 특이성, 그리고 상관된 시간적 측정을 결합하는 것을 목표로 한다. 초고속 EELS 측정은 전자기장(electromagnetic field)을 영상화하고 전자를 이용해 광자 금지 전이(photon-forbidden) 및 운동량 특이적 전이(momentum-specific transitions)를 유도할 수 있다는 점에서, 정상상태(steady-state) HR-EELS의 능력 또한 보강한다. 우리는 초고속 HR-EELS가 현재 직면한 기술적 과제를 논의하고, 현장(in situ) 및 냉동(cryo) 측정과의 통합이 특히 분자 및 생물학적 시료를 포함한 새 관심 대상 시스템으로 이 기법을 확장하는 데 어떻게 기여할 수 있는지 살펴본다.

투과 전자현미경. BP의 조절 가능한 나노스케일 형상 제어에 관한 현재의 연구 결과는 독특한 물리 현상에 대한 가능성을 제공하고, 2D 물질을 위한 광학 리소그래피 기술의 추가 발전을 촉진할 것이다.

국소 온도 측정. 발광성 유럽륨 이온을 도핑한 산화가돌리늄 입자는 비율계(ratiometric) 접근을 통해 CL 측정에서 온도 프로브로 활용할 수 있는 기회를 제공한다. 우리는 프로브의 열측정 성능을 제시하고, 입자의 크기에 의해 공간 해상도가 제한되는 가운데 113~323 K의 온도 범위에서 ±5 K의 정밀도를 달성함을 보여주며, 이는 온도 결정을 위한 다른 방법들을 능가한다. CL 기반 열측정으로, 또한 레이저 조사 하에서 국소 온도를 측정함을 추가로 입증한다.

Eigen-Weller 프레임워크에서 산-염기 반응은 일련의 단계로 구성되는 것으로 기술된다. 그 단계에는 산과 염기 화합물의 접촉, 접촉 복합체 내에서의 단거리 양성자 전달, 그리고 장거리 양성자 확산에 해당하는 결과 Eigen 복합체(ECs)의 분리가 포함된다. 접촉 복합체에서의 초기 양성자 전달 단계는 광범위하게 탐구되어 왔으나, 산-염기 반응을 종결하는 데 필수적인 최종 단계는 간과되어 왔다. 시간분해 형광 분광법과 화학 동역학 분석을 사용하여, 양이온성 산이 무기질(무프로톤성) 염기에 이항 용매 혼합물에서 여기 상태 양성자 전달을 추적하였으며, 이때 EC의 수명이 연장된다. EC를 분광학적 및 동역학적으로 규명함으로써, 산과 염기 사이의 수소결합 형성과 EC의 해리에 이르는 연속 단계에서의 분자성을 조사하여 모델 반응에서 무기질 염기 분자의 협동적 특성을 드러낸다. • 산-염기 반응에서의 일시적 Eigen 복합체가 규명됨 • 산-염기 반응의 각 기본 단계에서의 분자성이 결정됨 • 무기질 염기 분자들이 협력하여 산으로부터 양성자를 해리시킴 산-염기 반응에서 Eigen 복합체는 핵심 중간종이지만, 그 일시적 성질 때문에 그 정체가 거의 탐구되지 않았다. 본 시간분해 분광 연구에서 Lee 등은 짧게 존재하는 Eigen 복합체를 분광학적으로 포착하고, 분자성의 관점에서 그 반응성을 규명하기 위해 동역학을 분석한다.

우리는 응집된 전하 홉핑이 소형 폴라론(polaron) 형성과 어떻게 경쟁하며 이를 지연시키는지를 측정한다. 결정 격자에서 폴라론 형성을 유발하는 광여기된 전하 운반자와 포논(phonon) 간의 결합은 전하의 국소화를 초래하고, 수송을 자리 간(site-to-site) 홉핑으로 제한한다. 희토류 오르토페라이트(rare-earth orthoferrite)인 ErFeO3는 크고 분광된 희토류 원자가 FeO6 팔면체(octahedra)를 좌절시키고, 폴라론 형성의 에너지적 유리함을 감소시키도록 설계되었다. 우리는 폴라론 형성 속도와 이동도를 정량화하기 위해 시간분해 극자외선(XUV) 측정, ab initio 이론, 및 수송 측정을 비교한다. 폴라론 형성은 인접한 Fe3+–Fe2+ 자리 사이에서 여러 번의 응집된 전하 홉핑 사건이 발생한 후 수 ps(피코초) 이내에 일어난다. 이러한 시간 척도는 이전에 연구된 물질들에 비해 한 자릿수(10배) 이상 더 길다. 폴라론 형성 지연은 광여기된 운반자들이 폴라론을 형성하기 전에 과잉 열 에너지를 방출하기 때문에 특히 주목할 만하다. 현재까지 폴라론은 최초 전자-포논 산란 사건과 동시에 즉시 형성되는 것으로 측정되어 왔다. 광학 포논(optical phonons), 전자 결합(electron coupling), 그리고 원자 내(on-site) 격자 변형의 측정된 상호작용은 광촉매(photocatalysts)에서 폴라론 형성을 조율하기 위해 동적 전자 상관관계(dynamic electron correlations)의 중요성을 강조한다.

정밀도는 ±2%이다. 다른 CL 기반 열측정법보다 우수하며, 본 접근법은 전자빔 매개변수와 도펀트 농도에 독립적이어서 전자현미경에서의 CL 기반 나노열측정의 견고성과 적용 범위를 확장한다. 또한 레이저 조사 하에서 TEM 그리드 전역에 걸친 온도 분포의 실시간 매핑을 시연한다.

초고속 전자 현미경(Ultrafast electron microscopy, UEM)은 다양한 재료 시스템과 과학 분야 전반에 걸쳐 폭넓게 적용된다. UEM에서는 마이크로미터에서 옹스트롬에 이르는 공간 영역, 상호공간(reciprocal space)에서의 동역학, 그리고 마이크로초에서 아토초에 이르는 시간 척도에서 다중 스케일 역학을 조사하며, 에너지 분해능은 수 eV(전자볼트) 이하이다. 특히 UEM은 높은 국소 선택성을 바탕으로 초고속 구조 동역학을 시각화하는 데 중추적인 역할을 해왔고, 그 결과 비평형 상태에서 화학 결합의 동적인 성질을 탐구할 수 있으며, 자유전자 파동함수를 조작하기 위한 전자–광자 상호작용에 대한 연구도 가능하게 하였다. 이러한 돌파구는 응집물질 물리학, 화학 동역학, 양자 전기역학 분야에 새로운 기회를 창출하였다. 또한 빛–물질 상호작용과 구조–동역학–기능의 관계를 포괄적으로 규명하기 위해, 단일 장비에서 상관적 실공간 현미경을 회절촬영(diffractography) 및 분광학과 결합하여 고해상도 UEM을 달성하려는 노력이 진행 중이다. 본 총설에서는 UEM 영상화 역량과 과학적 관심사의 현재 수준을 개관하고, 관련 분야에서 UEM이 직면하는 기술적 과제를 개략적으로 제시한 뒤, 이러한 과제를 극복하기 위한 잠재적 접근 방안을 모색한다. 아울러 새롭게 부상하는 관심 분야를 강조하고, UEM의 영상화 역량을 한층 더 확장할 수 있는 향후 전망을 제시한다.

sites는 과도(일시적) 극자외선 분광법으로 측정되며, 폴라론이 형성되기까지는 수 ps(피코초) 동안 지속된다. 그 결과로 나타나는 작은 폴라론 형성 시간은 이전 측정치보다 한 자릿수(10배) 더 길며, 여기 상태에서도 얕은 퍼텐셜 우물을 시사한다. 본 결과는 수송, 촉매작용, 그리고 광여기 응용 분야에서의 작은 폴라론에 대해, 전자-포논에 의해 유도되는 격자 변화뿐만 아니라 동적인 전자-전자 상관을 고려하는 것이 중요함을 강조한다.

투과전자현미경에서 에너지 필터를 사용하면 원자 규모의 원소 매핑이 가능해졌고, 각각 비탄성 및 탄성 이미징 전자를 선택적으로 게이팅함으로써 구조 규명의 정밀도가 향상되었다. 여기서는 원자 운동의 영역을 향해 시간 분해능을 향상시키기 위해 초고속 전자현미경에서 에너지 필터를 사용한다. 광범위한 종방향 운동량 분포를 갖는 조밀한 chirped 포토전자 패킷으로부터 좁은 에너지 분포의 이미징 전자를 선택함으로써, 수 fs(펨토초) 시간 정밀도로 일시적 구조를 가시화하는 데 성공하였다. 그 결과 일반적으로 picosecond(피코초) 지속시간을 보이는 전자를 이용할 수 있었다. 본 연구에서는 대표적인 강상관계인 이산화바나듐(VO2) 나노입자의 이질적인 초고속 상전이를 촬영하고, 서로 다른 국소 변형으로 인해 나타난 일시적 저대칭 금속 상의 출현에 이를 귀속시켰다. 우리의 접근법은 전자현미경이 원자핵의 기본적 운동 시간 척도에 접근하여, 나노스케일에서 물질의 구조 역학이 시작되는 순간을 가시화할 수 있게 한다.

전자 에너지 손실 분광법(Electron energy-loss spectroscopy, EELS)은 x선, UV-Vis, IR 분광법과 유사한 정보를 측정할 수 있지만, 원자 분해능과 산란 단면적의 증가를 제공한다. 최근 전자 단색화 장치(electron monochromators)의 발전은 EELS의 역량을 화학적 동정에서 시작하여, 싱크로트론 수준의 코어-로스(core-loss) 측정의 영역으로까지 확장했으며, 또한 포논, 엑시톤, 원자가 구조(valence structure)와 같은 저손실(low-loss), 10–100 meV 여기(excitation)에까지 확장하였다. EELS 측정은 투과전자현미경(TEM)에서 전자 회절(electron diffraction) 및 원자 스케일의 실공간 영상(atomic-scale real-space imaging)과 용이하게 연계되어, 준입자 및 결합(bonding) 상태의 국소적 모습을 상세히 제공할 수 있다. 본 관점(perspective)은 기존의 고분해능 EELS(HR-EELS) 역량을 개괄하는 한편, 해당 분야에서의 강력한 다음 단계인 TEM 내 초고속(ultrafast) EELS를 촉진하고자 한다. 초고속 EELS는 공간적으로 특정된 여기 상태 현상을 더 잘 이해하기 위해, 원자 수준의 정밀도, 원소 특이성, 그리고 상관된 시간적 측정을 결합하는 것을 목표로 한다. 초고속 EELS 측정은 전자기장(electromagnetic field)을 영상화하고 전자를 이용해 광자 금지 전이(photon-forbidden) 및 운동량 특이적 전이(momentum-specific transitions)를 유도할 수 있다는 점에서, 정상상태(steady-state) HR-EELS의 능력 또한 보강한다. 우리는 초고속 HR-EELS가 현재 직면한 기술적 과제를 논의하고, 현장(in situ) 및 냉동(cryo) 측정과의 통합이 특히 분자 및 생물학적 시료를 포함한 새 관심 대상 시스템으로 이 기법을 확장하는 데 어떻게 기여할 수 있는지 살펴본다.