Forskere udvikler spektroskopisk termometer til nanomaterialer

Et videnskabeligt team ledet af Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har fundet en ny måde at tage den lokale temperatur på et materiale fra et område på omkring en milliarddel af en meter bredt, eller cirka 100, 000 gange tyndere end et menneskehår.

Denne opdagelse, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , lover at forbedre forståelsen af ​​nyttig, men usædvanlig fysisk og kemisk adfærd, der opstår i materialer og strukturer på nanoskalaen. Evnen til at tage nanoskala temperaturer kan hjælpe med at fremme mikroelektroniske enheder, halvledende materialer og andre teknologier, hvis udvikling afhænger af at kortlægge atomskala vibrationer på grund af varme.

Undersøgelsen brugte en teknik kaldet elektronenergivindspektroskopi i en nyindkøbt, specialiseret instrument, der producerer billeder med både høj rumlig opløsning og store spektrale detaljer. Det 13 fod høje instrument, lavet af Nion Co., hedder HERMES, kort for High Energy Resolution Monochromated Electron energitabspektroskopi-Scanningstransmissionselektronmikroskop.

Atomer ryster altid. Jo højere temperatur, jo mere rykker atomerne. Her, forskerne brugte det nye HERMES -instrument til at måle temperaturen på halvledende sekskantet bornitrid ved direkte at observere de atomare vibrationer, der svarer til varme i materialet. Teamet omfattede partnere fra Nion (udvikler af HERMES) og Protochips (udvikler af en varmechip, der blev brugt til eksperimentet).

"Det vigtigste ved dette 'termometer', som vi har udviklet, er, at temperaturkalibrering ikke er nødvendig, "sagde fysiker Juan Carlos Idrobo fra Center for Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science User Facility på ORNL.

Andre termometre kræver forudgående kalibrering. For at lave temperaturmålinger på et kviksølvtermometer, for eksempel, producenten skal vide, hvor meget kviksølv, der udvider sig, når temperaturen stiger.

"ORNL's HERMES giver i stedet en direkte måling af temperaturen på nanoskalaen, "sagde Andrew Lupini fra ORNL's Materials Science and Technology Division. Eksperimentatoren behøver kun at kende energien og intensiteten af ​​en atomvibration i et materiale - som begge måles under forsøget.

Disse to træk er afbildet som toppe, som bruges til at beregne et forhold mellem energitilvækst og energitab. "Fra dette får vi en temperatur, "Forklarede Lupini." Vi behøver ikke at vide noget om materialet på forhånd for at måle temperaturen. "

I 1966, også i Fysisk gennemgangsbreve , H. Boersch, J. Geiger og W. Stickel offentliggjorde en demonstration af elektronenergivindspektroskopi, i en større længde skala, og påpegede, at målingen skulle afhænge af prøvens temperatur. Baseret på det forslag, ORNL -teamet antog, at det skulle være muligt at måle et nanomateriales temperatur ved hjælp af et elektronmikroskop med en elektronstråle, der er "monokromeret" eller filtreret for at vælge energier inden for et snævert område.

For at udføre elektronenergi gevinst og tab spektroskopi eksperimenter, forskere placerer et prøvestof i elektronmikroskopet. Mikroskopets elektronstråle går gennem prøven, med størstedelen af ​​elektronerne, der næsten ikke interagerer med prøven. Ved elektronenergitabspektroskopi, strålen mister energi, når den passerer gennem prøven, der henviser til, at i energivindingsspektroskopi, elektronerne får energi ved at interagere med prøven.

"Den nye HERMES lader os se på meget små energitab og endda meget små mængder energitilvækst ved prøven, som er endnu sværere at observere, fordi de er mindre tilbøjelige til at ske, "Idrobo sagde." Nøglen til vores eksperiment er, at statistiske fysiske principper fortæller os, at det er mere sandsynligt at observere energitilvækst, når prøven opvarmes. Det er præcis det, der tillod os at måle temperaturen på bornitridet. Det monokromerede elektronmikroskop muliggør dette fra nanoskala -mængder. Evnen til at undersøge sådanne udsøgte fysiske fænomener på disse små skalaer er, hvorfor ORNL købte HERMES. "

ORNL -forskere skubber konstant mulighederne i elektronmikroskoper for at tillade nye måder at udføre forskningsforskning på. Da Nion elektronmikroskopudvikler Ondrej Krivanek spurgte Idrobo og Lupini, "Ville det ikke være sjovt at prøve elektronenergivindspektroskopi?" de sprang på chancen for at være de første til at udforske denne evne med deres HERMES -instrument.

Nanoskala -opløsning gør det muligt at karakterisere den lokale temperatur under faseovergange i materialer - en umulighed med teknikker, der ikke har den rumlige opløsning af HERMES -spektroskopi. For eksempel, et infrarødt kamera er begrænset af bølgelængden af ​​infrarødt lys til meget større objekter.

Mens forskerne i dette eksperiment testede miljøer i nanoskala ved stuetemperatur til omkring 1300 grader Celsius (2372 grader Fahrenheit), HERMES kan være nyttig til at studere enheder, der arbejder på tværs af en lang række temperaturer, for eksempel, elektronik, der fungerer under omgivende forhold til køretøjskatalysatorer, der udfører over 300 C/600 F.