HERMES для прямого измерения температуры в наноразмерном состоянии

Группа исследователей, возглавляемая Национальной лабораторией Oak Ridge Министерства энергетики, открыла инновационный метод для определения локальной температуры материала из области шириной всего в одну миллиардную часть 1 м или примерно в 100 000 раз тоньше, чем прядь человеческого волоса.

Слева направо: Эндрю Лупини и Хуан Карлос Идробо используют новый монохроматированный, аберрационно-исправленный сканирующий электронный микроскоп ORNL, Nion HERMES, чтобы принять температуры материалов на наноуровне. (Image credit: Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy, фотограф Джейсон Ричардс)

Этот вывод был опубликован в журнале Physical Review Letters и он обеспечивает расширение знаний о практических, но нетипичных химических и физических свойствах, которые появляются в структурах и материалах на наноуровне. Потенциал для обнаружения наноразмерных температур может помочь в революционизировании полупроводниковых материалов, микроэлектронных устройств и других технологий, развитие которых зависит от определения колебаний атомного масштаба, которые происходят из-за высокой температуры.

Исследователи приняли метод, известный как электронная спектроскопия усиления энергии в недавно приобретенном специализированном инструменте, который генерирует изображения с использованием как больших спектральных, так и высоких пространственных разрешений. Инструмент высотой 13 футов и изготовленный Nion Co. известен как HERMES, акроним для высокоэнергетической монохроматической электронной спектроскопии потерь энергии – сканирующий просвечивающий электронный микроскоп.

Известно, что атомы всегда динамичны. Повышение температуры увеличивает их динамику. В этом исследовании исследователи приняли новый прибор HERMES для оценки температуры полупроводникового гексагонального нитрида бора путем непосредственного наблюдения атомных колебаний, соответствующих теплоте внутри материала. В исследовании также приняли участие соавторы от Nion, разработчика HERMES и Protochips, разработчика нагревательного элемента, использованного в эксперименте.

«. Что самое важное в этом« термометре », которое мы разработали, заключается в том, что калибровка температуры не нужна », – заявил физик Хуан Карлос Идробо из Центра нанофазных материалов, Пользовательский механизм ORNL.

. Например, чтобы сформировать метки градуировки температуры на ртутном термометре, производитель должен иметь представление о количестве ртути, которое расширяется в результате повышения температуры.

«. HERMES ORNL вместо этого дает прямое измерение температуры в наномасштабе », – заявил Эндрю Лупини из отдела исследований материалов и технологий ORNL. Экспериментатор должен знать только интенсивность и энергию атомной вибрации в материале, где оба оцениваются во время эксперимента.

Эти два атрибута представлены как пики, используемые для вычисления отношения потерь энергии и усиления энергии. « Из этого мы получаем температуру », – объяснил Лупини. « Нам не нужно ничего знать о материале заранее, чтобы измерить температуру ».

В одном из 1966 томов Physical Review Letters H. Boersch, J. Geiger и W. Stickel сообщили о проверке спектроскопии усиления энергии электронов (в более высокой шкале длины) и указали, что оценка должна опираться на температуру образца. В зависимости от этой гипотезы исследователи ORNL предложили измерить температуру наноматериала при использовании электронного микроскопа с фильтрованным или «монохроматированным» электронным лучом для выбора энергий в узком диапазоне

. Для проведения экспериментов по поглощению энергии и усилению электронов исследователи позиционировали образец материала внутри электронного микроскопа. Электронный пучок в микроскопе проходит через образец, где большая часть электронов почти не взаимодействует с образцом. В случае спектроскопии потерь энергии электронов после прохождения через образец электронный пучок теряет свою энергию. Напротив, в случае спектроскопии энергетического усиления при взаимодействии с образцом электроны приобретают энергию.

Новый HERMES позволяет нам смотреть на очень малые потери энергии и даже очень небольшое количество выигрыша энергии на образце, которые еще сложнее наблюдать, потому что они менее вероятны », – заявил Идробо. « Ключом к нашему эксперименту является то, что статистические физические принципы говорят нам о том, что с большей вероятностью наблюдается увеличение энергии при нагревании образца. Именно это позволило нам измерить температуру нитрида бора. Монохромированный электронный микроскоп позволяет это делать из наномасштабных объемов. Способность исследовать такие изысканные физические явления в этих крошечных масштабах – это то, почему ORNL приобрела HERMES .

Исследователи ORNL постоянно совершенствуют потенциал электронных микроскопов, чтобы дать возможность инновационным методам проведения исследований на переднем крае. После опроса « Не было бы забавно пробовать спектроскопию усиления энергии электронов? » разработчиком электронного микроскопа Nion Ондрей Криванеком, Идробо и Лупини максимально использовал возможность первым исследовать этот потенциал их инструмента HERMES.

Наноразмерная разрешающая способность позволяет характеризовать локальную температуру во время фазовых переходов в материалах, что крайне невозможно, применяя методы, не обладающие пространственным разрешением спектроскопии HERMES. Например, инфракрасная камера ограничена длиной волны инфракрасного света до значительно больших объектов.

Хотя в этом исследовании исследователи исследовали наномасштабные среды от температуры окружающей среды до почти 1300 ° C или 2372 ° F, HERMES может быть принят для исследования устройств, которые функционируют в широком диапазоне температур, например, электроники, которые функционируют под комнатой температур и условий для катализаторов транспортных средств, которые работают при 300 ° C или 600 ° F.

Название исследования – «Измерение температуры с помощью наноразмерного электронного зонда с использованием спектроскопии усиления и потери энергии».

Отдел науки министерства финансов финансировал исследование.

Source link