Это открытие, опубликованное в Physical Review Letters, обещает улучшить понимание полезных, но необычных физических и химических свойств, которые возникают в материалах и структурах на наноуровне. Способность измерять температуру в наномасштабе может способствовать развитию микроэлектронных устройств, полупроводниковых материалов и других технологий, развитие которых зависит от отображения колебаний атомного масштаба, вызываемых теплом.В исследовании использовался метод, называемый спектроскопией с усилением энергии электронов, в недавно приобретенном специализированном приборе, который производит изображения как с высоким пространственным разрешением, так и с большой спектральной детализацией.
Инструмент высотой 13 футов, изготовленный Nion Co., получил название HERMES, сокращение от «Монохроматическая электронная спектроскопия потери энергии с высоким разрешением — сканирующий просвечивающий электронный микроскоп».Атомы всегда трясутся.
Чем выше температура, тем сильнее трясутся атомы. Здесь ученые использовали новый прибор HERMES для измерения температуры полупроводникового гексагонального нитрида бора путем непосредственного наблюдения за колебаниями атомов, которые соответствуют теплу в материале. В команду входили партнеры из Nion (разработчик HERMES) и Protochips (разработчик нагревательного чипа, использованного для эксперимента).
«Что наиболее важно в этом« термометре », который мы разработали, так это то, что калибровка температуры не требуется», — сказал физик Хуан Карлос Идробо из Центра науки о нанофазных материалах, пользовательского объекта Управления науки Министерства энергетики США в ORNL.Другие термометры требуют предварительной калибровки. Например, чтобы сделать отметки градуировки температуры на ртутном термометре, производителю необходимо знать, насколько ртуть расширяется при повышении температуры.
«Вместо этого HERMES от ORNL дает прямое измерение температуры в наномасштабе», — сказал Эндрю Лупини из подразделения материаловедения и технологий ORNL. Экспериментатору нужно только знать энергию и интенсивность атомной вибрации в материале — и то, и другое измеряется во время эксперимента.Эти две характеристики изображены в виде пиков, которые используются для расчета соотношения между выигрышем и потерями энергии. «Отсюда мы получаем температуру», — объяснил Лупини. «Нам не нужно ничего знать о материале заранее, чтобы измерить температуру».В 1966 г. также в Physical Review Letters H. Boersch, J. Geiger и W. Stickel опубликовали демонстрацию спектроскопии увеличения энергии электронов в большем масштабе и указали, что измерение должно зависеть от температуры образца.
Основываясь на этом предположении, команда ORNL выдвинула гипотезу, что можно будет измерить температуру наноматериала с помощью электронного микроскопа с электронным пучком, который «монохроматизирован» или отфильтрован для выбора энергии в узком диапазоне.Чтобы провести эксперименты по спектроскопии увеличения и уменьшения энергии электронов, ученые помещают образец материала в электронный микроскоп.
Электронный луч микроскопа проходит через образец, при этом большая часть электронов практически не взаимодействует с образцом. В спектроскопии потери энергии электронами луч теряет энергию при прохождении через образец, тогда как в спектроскопии увеличения энергии электроны получают энергию от взаимодействия с образцом.
«Новый HERMES позволяет нам наблюдать за очень небольшими потерями энергии и даже очень небольшими количествами прироста энергии образцом, которые еще труднее наблюдать, потому что они с меньшей вероятностью произойдут», — сказал Идробо. «Ключ к нашему эксперименту заключается в том, что статистические физические принципы говорят нам о том, что при нагревании образца более вероятно наблюдение увеличения энергии. Это именно то, что позволило нам измерить температуру нитрида бора.
Монохромный электронный микроскоп позволяет это от наноразмерные объемы. Возможность исследовать такие изысканные физические явления в этих крошечных масштабах — вот почему ORNL приобрела HERMES ».Ученые ORNL постоянно расширяют возможности электронных микроскопов, чтобы открывать новые способы проведения передовых исследований. Когда разработчик электронного микроскопа Nion Ондрей Криванек спросил Идробо и Лупини: «Разве не было бы забавно попробовать спектроскопию увеличения энергии электронов?» они ухватились за шанс первыми исследовать эту возможность своего прибора HERMES.
Разрешение в наномасштабе позволяет охарактеризовать локальную температуру во время фазовых переходов в материалах, что невозможно с методами, не имеющими пространственного разрешения спектроскопии HERMES. Например, инфракрасная камера ограничена длиной волны инфракрасного света гораздо более крупными объектами.Принимая во внимание, что в этом эксперименте ученые тестировали наноразмерные среды при комнатной температуре примерно до 1300 градусов по Цельсию (2372 градуса по Фаренгейту), HERMES может быть полезен для изучения устройств, работающих в широком диапазоне температур, например, электроники, которая работает в условиях окружающей среды на автомобиле. катализаторы, которые работают выше 300 C / 600 F.