Nyudviklede nanotermometre muliggør temperaturdetektion i realtid i transmissionselektronmikroskopi

En metode til måling af temperaturen af ​​prøver på nanometerstørrelse i et transmissionselektronmikroskop (TEM) er blevet udviklet af professor Oh-Hoon Kwon og hans forskerhold i Institut for Kemi ved UNIST.

Denne innovative teknologi, der anvender nanotermometre baseret på katodoluminescens (CL) spektroskopi, åbner nye muligheder for at analysere de termodynamiske egenskaber af fine prøver og fremme udviklingen af ​​højteknologiske materialer.

Transmissionselektronmikroskopet giver forskere mulighed for at observere prøver ved en forstørrelse på hundredtusindvis af gange ved at transmittere en kortbølgelængde elektronstråle gennem prøven. Ved at detektere lys, der udsendes fra prøven gennem katodestråleemissionsspektroskopi, kan forskere fint analysere prøvens fysiske og optiske egenskaber på nanometerskalaer.

De nyudviklede nanotermometre er afhængige af den temperaturafhængige intensitetsvariation af et specifikt katodestråleemissionsbånd af europium-ioner (Eu ³⁺ ). Ved at syntetisere nanopartikler dopet med europiumioner i gadoliniumoxid (Gd₂ O ³ ), sikrede forskerholdet minimal skade fra elektronstrålen, hvilket muliggjorde langsigtede eksperimenter.

Gennem dynamisk analyse bekræftede holdet, at intensitetsforholdet af det lysemitterende bånd fra europium-ioner er en pålidelig indikator for temperatur, med en imponerende målefejl på omkring 4 ℃ ved hjælp af nanotermometerpartikler, der måler cirka 100 nanometer i størrelse. Denne metode giver mere end dobbelt så nøjagtighed som konventionelle TEM-temperaturmålingsteknikker og forbedrer den rumlige opløsning markant.

Desuden demonstrerede holdet anvendeligheden af ​​nano-termometre ved at inducere temperaturændringer med en laser inden for TEM og samtidig måle temperatur og strukturelle variationer i realtid. Denne evne giver mulighed for analyse af termodynamiske egenskaber på nanometerniveau som reaktion på eksterne stimuli uden at forstyrre standard TEM-analyseprocedurer.

Won-Woo Park, den første forfatter til undersøgelsen, understregede den ikke-invasive karakter af temperaturmålingsprocessen og fremhævede, at interaktionen mellem transmissionselektronstrålen og nanotermometerpartiklerne muliggør temperaturdetektion i realtid uden at forstyrre TEM-billeddannelse.

Han bemærkede, "Den store fordel ved det udviklede nanometer er, at temperaturmålingsprocessen ikke interfererer med den eksisterende transmissionselektronmikroskopanalyse. Da temperaturen måles ved hjælp af lys, et biprodukt genereret af interaktionen mellem transmissionselektronstrålen og nanometerpartikel, er det muligt at måle billedet af transmissionselektronmikroskopet og detektere temperaturen i realtid."

Professor Kwon understregede betydningen af ​​denne forskning og udtalte, at "De udviklede temperaturmålingsindikatorer, når de kombineres med billeddannelsesteknikker i realtid, letter observationen af ​​lokale temperaturændringer som reaktion på eksterne stimuli. Denne fremgang er klar til at bidrage væsentligt til udviklingen. af højteknologiske materialer såsom sekundære batterier og skærme."

Værket er publiceret i tidsskriftet ACS Nano .

Flere oplysninger: Won-Woo Park et al., Nanoscale Cathodoluminescence Thermometri with a Lanthanid-Doped Heavy-Metal Oxide in Transmission Electron Microscopy, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c10020

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af Ulsan National Institute of Science and Technology