由能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)科學(xué)小組已經(jīng)找到了一種新方法，可以從一個(gè)約十億分之一米寬的區(qū)域獲取一種材料的局部溫度，或者比人類頭發(fā)稀薄約100,000倍。

這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在“ 物理評(píng)論快報(bào)”上，有望提高對(duì)納米級(jí)材料和結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的有用但不尋常的物理和化學(xué)行為的理解。采用納米級(jí)溫度的能力可以幫助推進(jìn)微電子器件，半導(dǎo)體材料和其他技術(shù)，其發(fā)展取決于映射由于熱量引起的原子級(jí)振動(dòng)。

該研究在一種新購(gòu)買的專用儀器中使用了一種稱為電子能量增益光譜的技術(shù)，該儀器可以產(chǎn)生具有高空間分辨率和高光譜細(xì)節(jié)的圖像。由Nion公司制造的13英尺高的儀器命名為HERMES，是高能分辨率單色電子能量損失光譜 - 掃描透射電子顯微鏡的縮寫。

原子總是在顫抖。溫度越高，原子搖動(dòng)的越多。在這里，科學(xué)家們使用新的HERMES儀器通過直接觀察與材料中的熱量相對(duì)應(yīng)的原子振動(dòng)來測(cè)量半導(dǎo)體六方氮化硼的溫度。該團(tuán)隊(duì)包括來自Nion(HERMES開發(fā)商)和Protochips(用于實(shí)驗(yàn)的加熱芯片開發(fā)商)的合作伙伴。

“我們開發(fā)的這種'溫度計(jì)'最重要的是不需要進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，”ORNL的DOE科學(xué)用戶設(shè)施中心納米材料科學(xué)中心的物理學(xué)家Juan Carlos Idrobo說。

其他溫度計(jì)需要事先校準(zhǔn)。例如，要在水銀溫度計(jì)上制作溫度刻度標(biāo)記，制造商需要知道隨著溫度的升高汞會(huì)膨脹多少。

“ORNL的HERMES可以直接測(cè)量納米級(jí)的溫度，”ORNL材料科學(xué)與技術(shù)部的Andrew Lupini說。實(shí)驗(yàn)者只需知道材料中原子振動(dòng)的能量和強(qiáng)度 - 兩者都是在實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)量的。

這兩個(gè)特征被描繪為峰值，用于計(jì)算能量增益和能量損失之間的比率。“從此我們得到一個(gè)溫度，”盧皮尼解釋說。“我們不需要事先知道有關(guān)材料的任何信息來測(cè)量溫度。”

1966年，同樣在物理評(píng)論快報(bào)中，H。Boersch，J。Geiger和W. Stickel在更大的長(zhǎng)度范圍內(nèi)發(fā)表了電子能量增益光譜的演示，并指出測(cè)量應(yīng)取決于樣品的溫度?；谠摻ㄗh，ORNL團(tuán)隊(duì)假設(shè)應(yīng)該可以使用電子顯微鏡測(cè)量納米材料的溫度，電子束具有“單色”或過濾以選擇窄范圍內(nèi)的能量。

為了進(jìn)行電子能量增益和損失光譜實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們將樣品材料放入電子顯微鏡中。顯微鏡的電子束穿過樣品，大部分電子幾乎不與樣品相互作用。在電子能量損失光譜中，光束在通過樣品時(shí)會(huì)損失能量，而在能量增益光譜中，電子通過與樣品相互作用獲得能量。

“新的HERMES讓我們看到非常微小的能量損失，甚至是樣品的非常小的能量增加，這更難以觀察，因?yàn)樗鼈儾惶赡馨l(fā)生，”Idrobo說。“我們實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是統(tǒng)計(jì)物理原理告訴我們，當(dāng)樣品被加熱時(shí)，更有可能觀察到能量增益。這正是我們測(cè)量氮化硼溫度的原因。單色電子顯微鏡可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。納米級(jí)體積。能夠在這些微小的尺度上探測(cè)這種精美的物理現(xiàn)象是ORNL購(gòu)買HERMES的原因。“

ORNL的科學(xué)家們不斷推動(dòng)電子顯微鏡的功能，以便開展前沿研究的新方法。當(dāng)Nion電子顯微鏡開發(fā)商Ondrej Krivanek問Idrobo和Lupini時(shí)，“嘗試電子能量增益光譜學(xué)會(huì)不會(huì)很有趣?” 他們抓住機(jī)會(huì)成為第一個(gè)探索HERMES樂器能力的人。

納米級(jí)分辨率使得在材料的相變過程中表征局部溫度成為可能 - 這種技術(shù)不具備HERMES光譜的空間分辨率。例如，紅外相機(jī)受到紅外光波長(zhǎng)的限制，變得更大。