Thermische wetenschappers van de Iowa State University, Shenzhen University en Shanghai University of Engineering Science hebben een nieuwe thermische sondeertechniek ontwikkeld op basis van de verhouding van twee resonantie Raman-verstrooiingspiekintensiteiten.

Publiceren in het International Journal of Extreme Manufacturing , heeft het team onder leiding van prof. Xinwei Wang van de Iowa State University systematisch bestudeerd en bewezen dat de verhouding van twee Raman-piekintensiteiten van resonantie van een 2D-materiaal kan worden gebruikt als een indicator voor zeer gevoelige temperatuurmeting. Deze nieuwe ontwikkeling zal de traditionele op Raman gebaseerde temperatuurmeting (gebaseerd op golfgetalverschuiving) aanzienlijk verbreden en tegelijkertijd de meetgevoeligheid en robuustheid aanzienlijk verbeteren.

Op Raman gebaseerde thermometrie wordt al tientallen jaren gebruikt, meestal door de golfgetalverschuiving te volgen om de temperatuur te meten. Dit zorgt voor een zeer unieke materiaalspecifieke aard van Raman-thermometrie, waardoor het mogelijk is om zeer specifieke temperatuurmetingen te bereiken en een temperatuurdaling over een afstand van minder dan nm te detecteren.

Het Raman-golfgetal wordt echter onderworpen aan verschillende experimentele geluiden en onzekerheden, zoals optische focussering, optische interferentie binnen een materiaal en over een interface. De uiteindelijke meetgevoeligheid is laag gedocumenteerd. Hoewel de Raman-verstrooiingsintensiteit ook verandert met de temperatuur, wordt het zelden gebruikt voor temperatuurmeting, omdat het moeilijk is om alle experimentele omstandigheden te controleren om de verstrooiingsintensiteit goed te definiëren.

In resonantie Raman-verstrooiing (bijv. WS₂ ), vanwege de kleine verandering in de bandafstand ten opzichte van de temperatuur, is de verspreide Raman-intensiteit erg temperatuurgevoelig en is de intensiteit van een enkele Raman-piek nog steeds moeilijk te gebruiken voor temperatuurmeting.

Door WS₂ . te gebruiken nanofilms, ondersteund of opgeschort, ontdekten de drie teams van de Iowa State University, Shenzhen University en Shanghai University of Engineering Science dat de twee Raman-pieken van WS₂ (E_2g en A_1g ), hoewel elk van hen een andere variatietrend ten opzichte van de temperatuur vertoont, vertoont hun intensiteitsverhouding verrassend een zeer universeel gedrag, ongeacht de fysieke grootte van het materiaal, gesuspendeerd of ondersteund, nm-niveau of macroformaat.

Ook deze verhouding vertoont een dramatische verandering van 177 K naar 477 K (>100-voudig). Dit toont duidelijk zijn vermogen aan voor temperatuurmeting. Met behulp van deze verhouding als indicator hebben de teams de thermische diffusie en thermische geleidbaarheid van gesuspendeerde WS₂ gekarakteriseerd. nanofilms met hun energietransport-state-resolved Raman (ET-Raman). De resultaten komen goed overeen met de meting op basis van het Raman-golfgetal.

Een van de teamleiders, prof. Xinwei Wang, zei:"Deze Resonance Raman Ratio (R3)-methode is in drie opzichten superieur aan de klassieke op golfgetallen gebaseerde temperatuurmeting."

Ten eerste, aangezien de intensiteitsverhouding wordt gebruikt, wordt elke optische focussering of optische interferentie-geïnduceerde intensiteitsverschuiving automatisch geëlimineerd in de verhouding. Dit zal de robuustheid van de meting drastisch verbeteren. Ten tweede, voor veel op golfgetal gebaseerde methoden, wordt het Raman-golfgetal bij lage temperaturen veel minder gevoelig voor temperatuurveranderingen, waardoor de meting minder betrouwbaar wordt.

De R3-methode heeft echter een bijna universele gevoeligheid van 177 K tot 477 K. Voor nog lagere temperaturen is meting mogelijk door te zoeken naar geschikte materialen waarvan de bandgap-verandering een grotere intensiteitsvariatie bij lagere temperaturen zal veroorzaken. Ten derde maakt de bevinding WS₂ een veelbelovende temperatuursensor voor het meten van de temperaturen van niet-Raman actieve materialen. De tijdreactie van de sensor is extreem snel (

Dit is zeer aantrekkelijk voor temperatuurbewaking in extreme productie.

Een van de teamleiders, Prof. Yangsu Xie, leidt haar team om actief onderzoek te doen naar thermisch transport in materialen op nanoschaal met behulp van Raman-spectroscopie. Ze zegt dat "de R3-methode echt een nieuwe weg opent om de thermische respons van een materiaal te bestuderen onder optische of andere soorten thermische belasting. Dit zal ons experimentele vermogen om thermische transportfysica op nanoschaal te onderzoeken, die moeilijk te onderzoeken is met andere technieken, aanzienlijk verbeteren. "

"Ook de R3-methode heeft nog steeds de materiaalspecifieke functie, dus het maakt het mogelijk om temperatuurmetingen van een zeer goed gedefinieerd fysiek domein te bereiken. We zijn enthousiast over de veelbelovende toepassingen van deze techniek in temperatuurbewaking met hoge resolutie in extreme productie. zoals in micro-elektronica."

Hoewel het werk alleen de R3-meting rapporteerde met behulp van 532 nm laser-geïnduceerde resonantie Raman-verstrooiing, is het mogelijk om andere golflengtelasers te kiezen (bijv. 633 nm, 488 nm, 785 nm) voor resonantie Raman-verstrooiing met materialen van gematchte / nauwe bandgap. Dit kan het temperatuurmeetbereik vergroten of het bereik verschuiven naar een ontworpen niveau.

Deze hoge gevoeligheid maakt het mogelijk om de R3-methode te gebruiken voor het bewaken van de thermische respons van materialen in extreme productie voor procesfysisch begrip, controle en optimalisatie met een zeer hoge ruimtelijke resolutie (~nm) en temporele respons ( + Verder verkennen

Natuurkunde en toepassingen van Raman gedistribueerde optische vezeldetectie