Een methode voor het meten van de temperatuur van monsters van nanometerformaat binnen een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) is ontwikkeld door professor Oh-Hoon Kwon en zijn onderzoeksteam van de afdeling scheikunde van UNIST.

Deze innovatieve technologie, waarbij gebruik wordt gemaakt van nanothermometers op basis van kathodoluminescentie (CL)-spectroscopie, opent nieuwe mogelijkheden voor het analyseren van de thermodynamische eigenschappen van fijne monsters en het bevorderen van de ontwikkeling van hightech materialen.

Met de transmissie-elektronenmicroscoop kunnen onderzoekers monsters observeren met een vergroting van honderdduizenden keren door een elektronenbundel met korte golflengte door het monster te sturen. Door het licht dat door het monster wordt uitgezonden te detecteren via kathodestraalemissiespectroscopie, kunnen onderzoekers de fysieke en optische eigenschappen van het monster op nanometerschaal nauwkeurig analyseren.

De nieuw ontwikkelde nanothermometers zijn afhankelijk van de temperatuurafhankelijke intensiteitsvariatie van een specifieke kathodestraalemissieband van europiumionen (Eu ³⁺ ). Door nanodeeltjes te synthetiseren die zijn gedoteerd met europiumionen in gadoliniumoxide (Gd₂ O ³ ), zorgde het onderzoeksteam voor minimale schade door de elektronenbundel, waardoor experimenten op lange termijn mogelijk werden.

Door middel van dynamische analyse bevestigde het team dat de intensiteitsverhouding van de lichtgevende band van europiumionen een betrouwbare temperatuurindicator is, met een indrukwekkende meetfout van ongeveer 4℃ bij gebruik van nanothermometerdeeltjes van ongeveer 100 nanometer groot. Deze methode biedt meer dan tweemaal de nauwkeurigheid van conventionele TEM-temperatuurmeettechnieken en verbetert de ruimtelijke resolutie aanzienlijk.

Bovendien demonstreerde het team de toepasbaarheid van de nanothermometers door temperatuurveranderingen te induceren met een laser binnen de TEM en tegelijkertijd temperatuur- en structurele variaties in realtime te meten. Deze mogelijkheid maakt de analyse van thermodynamische eigenschappen op nanometerniveau mogelijk als reactie op externe stimuli zonder de standaard TEM-analyseprocedures te verstoren.

Won-Woo Park, de eerste auteur van het onderzoek, benadrukte het niet-invasieve karakter van het temperatuurmeetproces en benadrukte dat de interactie tussen de transmissie-elektronenbundel en de nanothermometerdeeltjes realtime temperatuurdetectie mogelijk maakt zonder de TEM-beeldvorming te verstoren.

Hij merkte op:"Het grote voordeel van de ontwikkelde nanometer is dat het temperatuurmeetproces de bestaande transmissie-elektronenmicroscoopanalyse niet verstoort. Omdat de temperatuur wordt gemeten met behulp van licht, een bijproduct dat wordt gegenereerd door de interactie tussen de transmissie-elektronenbundel en de nanometerdeeltje is het mogelijk om het beeld van de transmissie-elektronenmicroscoop te meten en de temperatuur in realtime te detecteren."

Professor Kwon onderstreepte het belang van dit onderzoek en stelde dat “de ontwikkelde indicatoren voor temperatuurmeting, in combinatie met real-time beeldvormingstechnieken, de observatie van lokale temperatuurveranderingen als reactie op externe stimuli vergemakkelijken. Deze vooruitgang staat op het punt aanzienlijk bij te dragen aan de ontwikkeling van hightech materialen zoals secundaire batterijen en displays."

Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Meer informatie: Won-Woo Park et al., Kathodoluminescentie-thermometrie op nanoschaal met een lanthanide-gedoteerd zwaar metaaloxide in transmissie-elektronenmicroscopie, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c10020

Journaalinformatie: ACS Nano

Aangeboden door Ulsan Nationaal Instituut voor Wetenschap en Technologie