Resonans Raman-spredning giver nye måder til højfølsom temperaturmåling

Termiske forskere fra Iowa State University, Shenzhen University og Shanghai University of Engineering Science har udviklet en ny termisk sonderingsteknik baseret på forholdet mellem to resonans Raman-sprednings spidsintensiteter.

Udgivelse i International Journal of Extreme Manufacturing , holdet ledet af prof. Xinwei Wang ved Iowa State University, har systematisk undersøgt og bevist, at forholdet mellem to resonans Raman-spidsintensiteter af et 2D-materiale kan bruges som en indikator for højfølsom temperaturmåling. Denne nye udvikling vil betydeligt udvide den traditionelle Raman-baserede temperaturmåling (baseret på bølgetalsforskydning) og samtidig forbedre målingens følsomhed og robusthed væsentligt.

Raman-baseret termometri er blevet brugt i årtier, for det meste ved at spore bølgetalsskiftet for at måle temperatur. Dette giver en meget unik materialespecifik karakter af Raman termometri, hvilket gør det muligt at opnå meget specifik temperaturmåling og sonde et temperaturfald på tværs af en sub-nm afstand.

Imidlertid er Raman-bølgenummeret udsat for forskellige eksperimentelle støj og usikkerheder, såsom optisk fokusering, optisk interferens i et materiale og på tværs af en grænseflade. Den ultimative målefølsomhed er dokumenteret lav. Selvom Raman-spredningsintensiteten også ændrer sig med temperaturen, bruges den sjældent til temperaturmåling, da det er svært at kontrollere alle de eksperimentelle betingelser for godt at definere spredningsintensiteten.

I resonans Raman-spredning (f.eks. WS₂ ), på grund af den lille båndgab-ændring i forhold til temperatur, er den spredte Raman-intensitet meget følsom over for temperatur, og intensiteten af ​​en enkelt Raman-top er stadig svær at bruge til temperaturmåling.

Ved at bruge WS₂ nanofilm, enten understøttet eller suspenderet, opdagede de tre hold ved Iowa State University, Shenzhen University og Shanghai University of Engineering Science, at de to Raman-toppe i WS₂ (E_2g og A_1g ), selvom hver af dem viser forskellige variationstendenser i forhold til temperatur, viser deres intensitetsforhold overraskende en meget universel adfærd, uanset materialets fysiske størrelse, suspenderet eller understøttet, nm-niveau eller makrostørrelse.

Også dette forhold viser dramatisk ændring fra 177 K til 477 K (>100 gange). Dette viser tydeligt dens evne til temperaturmåling. Ved at bruge dette forhold som indikator har holdene karakteriseret den termiske diffusivitet og termiske ledningsevne af suspenderet WS₂ nanofilm med deres energitransport statsopløste Raman (ET-Raman). Resultaterne stemmer meget godt overens med målingen baseret på Raman-bølgetal.

En af teamlederne, Prof. Xinwei Wang sagde:"Denne Resonance Raman Ratio (R3) metode er overlegen i forhold til den klassiske bølgetal-baserede temperaturmåling i tre aspekter."

For det første, da intensitetsforholdet anvendes, vil enhver optisk fokusering eller optisk interferens-induceret intensitetsforskydning automatisk blive elimineret i forholdet. Dette vil dramatisk forbedre målingens robusthed. For det andet, for mange bølgetal-baserede metoder, ved lave temperaturer bliver Raman-bølgenummeret meget mindre følsomt over for temperaturændringer, hvilket gør målingen mindre pålidelig.

R3-metoden har dog en næsten universel følsomhed fra 177 K til 477 K. For endnu lavere temperaturer er måling mulig ved at søge efter passende materialer, hvis båndgab-ændring vil forårsage større intensitetsvariation ved lavere temperaturer. For det tredje vil resultatet gøre WS₂ en lovende temperatursensor til måling af temperaturer på ikke-Raman aktive materialer. Sensorens tidsrespons vil være ekstremt hurtig (

Dette er meget attraktivt til temperaturovervågning i ekstrem fremstilling.

En af teamlederne, prof. Yangsu Xie, leder sit team til at udføre aktiv forskning for at studere termisk transport i materialer i nanoskala ved hjælp af Raman-spektroskopi. Hun siger, at "R3-metoden åbner virkelig en ny vej til at studere et materiales termiske respons under enten optisk eller andre typer termisk belastning. Dette vil markant forbedre vores eksperimentelle evne til at udforske termisk transportfysik i nanoskala, som er svær at undersøge ved hjælp af andre teknikker. "

"R3-metoden har også stadig den materialespecifikke egenskab, så den gør det muligt at opnå temperatursondering af meget veldefinerede fysiske domæner. Vi er begejstrede for de lovende anvendelser af denne teknik i højopløsningstemperaturovervågning også i ekstrem fremstilling som i mikroelektronik."

Selvom arbejdet kun rapporterede R3-målingen ved brug af 532 nm laser-induceret resonans Raman-spredning, er det muligt at vælge andre bølgelængdelasere (f. Dette kan udvide temperaturmålingsområdet eller flytte området til et designet niveau.

Denne høje følsomhed gør det muligt at anvende R3-metoden til overvågning af materialers termiske respons i ekstrem fremstilling til procesfysisk forståelse, kontrol og optimering med meget høj rumlig opløsning (~nm) og tidsmæssig respons ( + Udforsk yderligere

Fysik og anvendelser af Raman-distribueret optisk fibersensor