Forskere utvikler spektroskopisk termometer for nanomaterialer

Anonim

Et vitenskapelig team ledet av Institutt for Energi Oak Ridge National Laboratory har funnet en ny måte å ta lokal temperatur på et materiale fra et område på en milliarddel av en meter bred eller omtrent 100.000 ganger tynnere enn et menneskehår.

Denne oppdagelsen, publisert i Physical Review Letters, lover å forbedre forståelsen av nyttige, men uvanlige fysiske og kjemiske oppføringer som oppstår i materialer og strukturer ved nanoskalaen. Evnen til å ta nanoskala temperaturer kan bidra til å fremme mikroelektroniske enheter, halvledende materialer og annen teknologi, hvis utvikling er avhengig av kartlegging av atomskala vibrasjoner på grunn av varme.

Studien brukte en teknikk som kalles elektronergjenvinningsspektroskopi i et nylig innkjøpt, spesialisert instrument som produserer bilder med både høy romlig oppløsning og stor spektral detalj. Det 13-fots høye instrumentet, laget av Nion Co., heter HERMES, kort for High Energy Resolution Monochromated Electron-energitap-spektroskopi-skanning overføringselektronmikroskop.

Atomer rister alltid. Jo høyere temperaturen er, jo mer atomer rister. Her brukte forskerne det nye HERMES-instrumentet til å måle temperaturen på halvledende sekskantet bornitrid ved å direkte observere atomvibrasjonene som tilsvarer varme i materialet. Teamet inkluderte partnere fra Nion (utvikler av HERMES) og Protochips (utvikler av en varmebrett brukt til forsøket).

"Det som er viktigst med dette termometeret som vi har utviklet er at temperaturkalibrering ikke er nødvendig, sier fysiker Juan Carlos Idrobo fra Center for Nanophase Materials Sciences, et DOE Office of Science User Facility på ORNL.

Andre termometre krever tidligere kalibrering. For å lage temperaturgrader på et kvikksølvtermometer, må produsenten for eksempel vite hvor mye kvikksølv utvides når temperaturen stiger.

"ORNLs HERMES gir i stedet en direkte måling av temperatur på nanoskalaen, " sa Andrew Lupini fra ORNLs Materials Science and Technology Division. Forsøkeren trenger bare å vite energien og intensiteten til en atomvibrasjon i et materiale, som begge måles under forsøket.

Disse to funksjonene er avbildet som topper, som brukes til å beregne et forhold mellom energiforsyning og energitap. "Fra dette får vi en temperatur, " forklarte Lupini. "Vi trenger ikke å vite noe om materialet på forhånd for å måle temperaturen."

I 1966 offentliggjorde også fysiske gjennomgangsbrev, H. Boersch, J. Geiger og W. Stickel en demonstrasjon av elektronenergiøknings spektroskopi, i lengre skala, og påpekte at målingene skulle avhenge av prøvens temperatur. Basert på dette forslaget antydet ORNL-teamet at det burde være mulig å måle et nanomateriales temperatur ved hjelp av et elektronmikroskop med en elektronstråle som er "monokromert" eller filtrert for å velge energier innenfor et smalt område.

For å utføre elektronenergi gevinst og tap spektroskopi eksperimenter, plassere forskere et prøve materiale i elektronmikroskop. Mikroskopets elektronstråle går gjennom prøven, med flertallet av elektroner knapt interaksjon med prøven. I elektron-energitapspektroskopi, taper strålen energi ettersom den passerer gjennom prøven, mens i energiøkonomisk spektroskopi får elektronene energi fra å interagere med prøven.

"Den nye HERMES lar oss se på svært små energitap og til og med svært små mengder energiøkning av prøven, som er enda vanskeligere å observere fordi de er mindre sannsynlig å skje, " sa Idrobo. "Nøkkelen til vårt eksperiment er at statistiske fysiske prinsipper forteller oss at det er mer sannsynlig å observere energiforsyning når prøven er oppvarmet. Det er nettopp det som tillot oss å måle temperaturen på nitridet. Det monokromerte elektronmikroskopet gjør det mulig å nanoskala volumer. Muligheten til å undersøke slike utsøkte fysiske fenomen ved disse små skalaer, er hvorfor ORNL kjøpte HERMES. "

ORNL-forskere presser evnen til elektronmikroskoper til å tillate nye måter å gjennomføre forkantforskning. Da Nion-elektronmikroskoputvikleren Ondrej Krivanek spurte Idrobo og Lupini, "Ville det ikke vært morsomt å prøve elektronenergi forsterkningspektroskopi?" de hoppet på sjansen til å være den første til å utforske denne muligheten til deres HERMES-instrument.

Nanoskalaoppløsning gjør det mulig å karakterisere lokal temperatur under faseoverganger i materialer - en umulighet med teknikker som ikke har den romlige oppløsningen av HERMES-spektroskopi. For eksempel er et infrarødt kamera begrenset av bølgelengden til infrarødt lys til mye større gjenstander.

Mens forskerne i dette eksperimentet testet nanoskala miljøer ved romtemperatur til 1300 grader Celsius (2372 grader Fahrenheit), kan HERMES være nyttig for å studere enheter som arbeider over et bredt temperaturområde, for eksempel elektronikk som opererer under omgivelsesforhold til kjøretøy katalysatorer som utfører over 300 C / 600 F.

menu
menu