Физики разработали спектроскопический термометр с нанометровым разрешением

J. C. Idrobo et al./ Physical Review Letters, 2018

Американские физики разработали новый метод определения локальной температуры в наноматериалах с использованием спектроскопии энергетических потерь электронов. По анализу положения пиков полученной и потерянной энергии можно измерять температуру до 1300 градусов Цельсия для участка материала размером около одного нанометра, пишут ученые в Physical Review Letters.

Измерение локальной температуры в наноматериалах — одна из важных задач в связи с возможными тепловыми потерями, например, в микроэлектронных устройствах. Как правило, для сверхточного определения локальной температуры различных материалов ученые предлагают использовать методы, основанные на анализе спектра характеристических энергетических потерь электронов, которыми облучают нагретое вещество. Например, совсем недавно с помощью подобного анализа ученым удалось получить карты температуры и коэффициента теплового расширения для двумерных кристаллов с пространственным разрешением до двух нанометров.

Американские физики под руководством Хуана Карлоса Идробо (Juan Carlos Idrobo) из Национальной лаборатории Ок-ридж предложили для еще более точного измерения температуры без необходимости дополнительной калибровки использовать спектроскопию характеристических энергетических потерь электронов как в положительной, так и отрицательной области энергий, то есть не только потерянной энергии, но и полученной. В таком спектре можно найти два характерных пика (с одинаковой абсолютной энергией, но один в положительной области и один — в отрицательной), которые связаны с электрон-фононным взаимодействием и, соответственно, могут быть использованы для определения температуры. Согласно численным расчетам, при повышении температуры материала оба этих пика сдвигаются в область меньших энергий. Это происходит из-за теплового расширения решетки материала и ангармонического рассеяния фононов. Первый фактор более важен для небольших температур, а второй становится доминирующим при высоких температурах.

Предложенный метод ученые проверили на двумерном нитриде бора для температурного диапазона от 50 до 1313 градусов Цельсия. Оказалось, что оба пика действительно сдвигаются в область меньших энергий, при этом в исследованном диапазоне температур этот сдвиг происходит линейно. Кроме того, пик полученной энергии при повышении температуры также сильно увеличивает свою интенсивность, что связано с повышением вероятности фонона оказаться в нужном энергетическом состоянии. Поэтому, кроме положения пика на спектре, показателем температуры служит и отношение интенсивностей двух пиков, которое в исследованном интервале температур тоже растет линейно, увеличиваясь с одного до 27 процентов.

Ученые отмечают, что с помощью анализа спектров энергетических потерь данные о температуре можно получать как прямым расчетом с помощью методов статистической физики (без необходимости калибровки), так и эмпирически, основываясь на линейном изменении параметров спектра. При этом предложенный метод сильно выигрывает у других способов локального измерения температуры в наноматериалах (таких как нейтронное рассеяние или рамановская спектроскопия) в пространственном разрешении, которое определяется размером электронного пучка и позволяет измерять температуру на участке размером порядка одного нанометра.

При исследовании материалов, свойства которых определяются квантовыми эффектами, очень часто приходится измерять очень низкие температуры, которые отличаются от абсолютного нуля лишь на десятые доли градуса. Для этого разрабатываются специальные методы: например, с помощью электронного термометра, основанного на эффекте кулоновоской блокады, удалось измерить температуру электронов в 0,0037 кельвинов. А с использованием сравнения тепловых и квантовых колебаний, физики получили термометр с внутренним квантовым стандартом, который позволяет измерять низкие температуры без необходимости калибровки.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.