Een wetenschappelijk team onder leiding van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy heeft een nieuwe manier gevonden om de lokale temperatuur van een materiaal te meten uit een gebied van ongeveer een miljardste meter breed, of ongeveer 100, 000 keer dunner dan een mensenhaar.

Deze ontdekking, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , belooft het begrip te verbeteren van nuttige maar ongebruikelijke fysische en chemische gedragingen die zich voordoen in materialen en structuren op nanoschaal. Het vermogen om temperaturen op nanoschaal te meten kan micro-elektronische apparaten vooruit helpen, halfgeleidende materialen en andere technologieën, waarvan de ontwikkeling afhangt van het in kaart brengen van de trillingen op atomaire schaal als gevolg van warmte.

De studie maakte gebruik van een techniek genaamd elektronen-energiewinstspectroscopie in een nieuw gekocht, gespecialiseerd instrument dat beelden produceert met zowel een hoge ruimtelijke resolutie als grote spectrale details. Het 13 meter hoge instrument, gemaakt door Nion Co., heet HERMES, afkorting voor High Energy Resolution Monochromated Electron energy-loss spectroscopie-Scanning transmissie-elektronenmicroscoop.

Atomen schudden altijd. Hoe hoger de temperatuur, hoe meer de atomen schudden. Hier, de wetenschappers gebruikten het nieuwe HERMES-instrument om de temperatuur van halfgeleidend hexagonaal boornitride te meten door rechtstreeks de atomaire trillingen te observeren die overeenkomen met warmte in het materiaal. Het team bestond uit partners van Nion (ontwikkelaar van HERMES) en Protochips (ontwikkelaar van een verwarmingschip die voor het experiment werd gebruikt).

"Het belangrijkste aan deze 'thermometer' die we hebben ontwikkeld, is dat temperatuurkalibratie niet nodig is, " zei natuurkundige Juan Carlos Idrobo van het Center for Nanophase Materials Sciences, een DOE Office of Science User Facility bij ORNL.

Andere thermometers vereisen voorafgaande kalibratie. Om temperatuurmarkeringen op een kwikthermometer te maken, bijvoorbeeld, de fabrikant moet weten hoeveel kwik uitzet als de temperatuur stijgt.

"ORNL's HERMES geeft in plaats daarvan een directe meting van de temperatuur op nanoschaal, " zei Andrew Lupini van ORNL's Materials Science and Technology Division. De experimentator hoeft alleen de energie en intensiteit van een atomaire vibratie in een materiaal te kennen - die beide tijdens het experiment worden gemeten.

Deze twee kenmerken worden weergegeven als pieken, die worden gebruikt om een ​​verhouding tussen energiewinst en energieverlies te berekenen. "Hieruit krijgen we een temperatuur, "Lupini legde uit. "We hoeven vooraf niets over het materiaal te weten om de temperatuur te meten."

In 1966, ook in Fysieke beoordelingsbrieven , H. Boersch, J. Geiger en W. Stickel publiceerden een demonstratie van spectroscopie met elektronenenergiewinst, op een grotere lengteschaal, en wees erop dat de meting moet afhangen van de temperatuur van het monster. Op basis van die suggestie het ORNL-team veronderstelde dat het mogelijk zou moeten zijn om de temperatuur van een nanomateriaal te meten met behulp van een elektronenmicroscoop met een elektronenstraal die "monochromatisch" of gefilterd is om energieën binnen een smal bereik te selecteren.

Om spectroscopie-experimenten met elektronenenergiewinst en -verlies uit te voeren, wetenschappers plaatsen een monstermateriaal in de elektronenmicroscoop. De elektronenstraal van de microscoop gaat door het monster, waarbij de meeste elektronen nauwelijks interactie hebben met het monster. Bij elektronenenergieverliesspectroscopie, de straal verliest energie als hij door het monster gaat, overwegende dat bij spectroscopie met energiewinst, de elektronen krijgen energie door interactie met het monster.

"De nieuwe HERMES laat ons kijken naar zeer kleine energieverliezen en zelfs zeer kleine hoeveelheden energiewinst door het monster, die nog moeilijker waar te nemen zijn omdat ze minder snel voorkomen, " zei Idrobo. "De sleutel tot ons experiment is dat statistische fysische principes ons vertellen dat het waarschijnlijker is om energietoename waar te nemen wanneer het monster wordt verwarmd. Dat is precies wat ons in staat stelde om de temperatuur van het boornitride te meten. De monochromatische elektronenmicroscoop maakt dit mogelijk vanaf nanoschaalvolumes. Het vermogen om zulke voortreffelijke fysieke fenomenen op deze kleine schalen te onderzoeken, is de reden waarom ORNL de HERMES heeft gekocht."

Wetenschappers van ORNL pushen voortdurend de mogelijkheden van elektronenmicroscopen om nieuwe manieren van baanbrekend onderzoek mogelijk te maken. Toen Nion-elektronenmicroscoopontwikkelaar Ondrej Krivanek aan Idrobo en Lupini vroeg, "Zou het niet leuk zijn om spectroscopie met elektronenenergiewinst te proberen?" ze grepen de kans aan om als eerste deze mogelijkheid van hun HERMES-instrument te verkennen.

Resolutie op nanoschaal maakt het mogelijk om de lokale temperatuur tijdens faseovergangen in materialen te karakteriseren - een onmogelijkheid met technieken die niet de ruimtelijke resolutie van HERMES-spectroscopie hebben. Bijvoorbeeld, een infraroodcamera wordt door de golflengte van infrarood licht beperkt tot veel grotere objecten.

Terwijl de wetenschappers in dit experiment nanoschaalomgevingen testten bij kamertemperatuur tot ongeveer 1300 graden Celsius (2372 graden Fahrenheit), de HERMES kan nuttig zijn voor het bestuderen van apparaten die over een breed temperatuurbereik werken, bijvoorbeeld, elektronica die onder omgevingsomstandigheden werkt tot voertuigkatalysatoren die meer dan 300 C/600 F presteren.