用于纳米材料的光谱温度计

由能源部橡树岭国家实验室领导的一个科学小组已经找到了一种新方法，可以从一个约十亿分之一米宽的区域获取一种材料的局部温度，或者比人类头发稀薄约100,000倍。

这一发现发表在“ 物理评论快报”上，有望提高对纳米级材料和结构中出现的有用但不寻常的物理和化学行为的理解。采用纳米级温度的能力可以帮助推进微电子器件，半导体材料和其他技术，其发展取决于映射由于热量引起的原子级振动。

该研究在一种新购买的专用仪器中使用了一种称为电子能量增益光谱的技术，该仪器可以产生具有高空间分辨率和高光谱细节的图像。由Nion公司制造的13英尺高的仪器命名为HERMES，是高能分辨率单色电子能量损失光谱 - 扫描透射电子显微镜的缩写。

原子总是在颤抖。温度越高，原子摇动的越多。在这里，科学家们使用新的HERMES仪器通过直接观察与材料中的热量相对应的原子振动来测量半导体六方氮化硼的温度。该团队包括来自Nion(HERMES开发商)和Protochips(用于实验的加热芯片开发商)的合作伙伴。

“我们开发的这种'温度计'最重要的是不需要进行温度校准，”ORNL的DOE科学用户设施中心纳米材料科学中心的物理学家Juan Carlos Idrobo说。

其他温度计需要事先校准。例如，要在水银温度计上制作温度刻度标记，制造商需要知道随着温度的升高汞会膨胀多少。

“ORNL的HERMES可以直接测量纳米级的温度，”ORNL材料科学与技术部的Andrew Lupini说。实验者只需知道材料中原子振动的能量和强度 - 两者都是在实验过程中测量的。

这两个特征被描绘为峰值，用于计算能量增益和能量损失之间的比率。“从此我们得到一个温度，”卢皮尼解释说。“我们不需要事先知道有关材料的任何信息来测量温度。”

1966年，同样在物理评论快报中，H。Boersch，J。Geiger和W. Stickel在更大的长度范围内发表了电子能量增益光谱的演示，并指出测量应取决于样品的温度。基于该建议，ORNL团队假设应该可以使用电子显微镜测量纳米材料的温度，电子束具有“单色”或过滤以选择窄范围内的能量。

为了进行电子能量增益和损失光谱实验，科学家们将样品材料放入电子显微镜中。显微镜的电子束穿过样品，大部分电子几乎不与样品相互作用。在电子能量损失光谱中，光束在通过样品时会损失能量，而在能量增益光谱中，电子通过与样品相互作用获得能量。

“新的HERMES让我们看到非常微小的能量损失，甚至是样品的非常小的能量增加，这更难以观察，因为它们不太可能发生，”Idrobo说。“我们实验的关键是统计物理原理告诉我们，当样品被加热时，更有可能观察到能量增益。这正是我们测量氮化硼温度的原因。单色电子显微镜可以实现这一点。纳米级体积。能够在这些微小的尺度上探测这种精美的物理现象是ORNL购买HERMES的原因。“

ORNL的科学家们不断推动电子显微镜的功能，以便开展前沿研究的新方法。当Nion电子显微镜开发商Ondrej Krivanek问Idrobo和Lupini时，“尝试电子能量增益光谱学会不会很有趣?” 他们抓住机会成为第一个探索HERMES乐器能力的人。

纳米级分辨率使得在材料的相变过程中表征局部温度成为可能 - 这种技术不具备HERMES光谱的空间分辨率。例如，红外相机受到红外光波长的限制，变得更大。