Это открытие, изданное в Physical Review Letters, обещает улучшить понимание полезных все же необычных физических и химических поведений, которые возникают в материалах и структурах в наноразмерном. Способность измерить наноразмерные температуры могла помочь прогрессу микроэлектронные устройства, полупроводники и другие технологии, развитие которых зависит от отображения колебаний на уровне атомов, должных нагреться.Исследование использовало технику, названную электронной энергетической спектроскопией выгоды в недавно купленном, специализированном инструменте, который производит изображения и с высоким пространственным разрешением и с большой спектральной деталью.
Инструмент 13 футов высотой, сделанный Nion Co., называют HERMES, коротким для Высокой энергетической Резолюции просвечивающий электронный микроскоп просмотра спектроскопии энергетической потери Электрона Monochromated.Атомы всегда дрожат.
Чем выше температура, тем больше встряска атомов. Здесь, ученые использовали новый инструмент HERMES, чтобы измерить температуру полупроводникового шестиугольного нитрида бора, непосредственно наблюдая атомные колебания, которые соответствуют теплу в материале. Команда включала партнеров от Nion (разработчик HERMES) и Protochips (разработчик нагревающегося чипа, используемого для эксперимента).
«Что является самым важным относительно этого ‘термометра’, который мы разработали, то, что температурная калибровка не необходима», сказал физик Хуан Карлос Идробо из Центра Материаловедения Нанофазы, Офиса САМКИ Научного Пользовательского Средства на ORNL.Другие термометры требуют предшествующей калибровки. Чтобы сделать температурные отметки церемонии вручения дипломов на ртутном термометре, например, производитель должен знать, сколько расширяет ртуть, когда температура повышается.«ГЕРМЕС ORNL вместо этого дает прямое измерение температуры в наноразмерном», сказал Эндрю Лупини Материаловедения и Отдела технологий ORNL.
Экспериментатор должен только знать энергию и интенсивность атомной вибрации в материале – оба из которых измерены во время эксперимента.Эти две особенности изображены как пики, которые используются, чтобы вычислить отношение между энергетической выгодой и энергетической потерей. «От этого мы получаем температуру», объяснил Лупини. «Мы не должны знать, что что-либо о материале заранее измеряет температуру».В 1966, также в Physical Review Letters, Х. Боерш, Дж.
Гайгер и В. Стикель издали демонстрацию электронной энергетической спектроскопии выгоды, в большей шкале расстояний, и указали, что измерение должно зависеть от температуры образца. На основе того предложения команда ORNL выдвинула гипотезу, что должно быть возможно измерить температурное использование наноматериала электронного микроскопа с электронным лучом, который является «monochromated» или фильтрованный, чтобы выбрать энергии в узком ассортименте.Чтобы выполнить электронные энергетические эксперименты спектроскопии выгоды и потери, ученые помещают типовой материал в электронный микроскоп. Электронный луч микроскопа проходит образец с большинством электронов, едва взаимодействующих с образцом.
В электронной энергетической спектроскопии потерь луч теряет энергию, поскольку это проходит через образец, тогда как в энергетической спектроскопии выгоды, электроны получают энергию от взаимодействия с образцом.«Новый HERMES позволяет нам посмотреть на очень крошечные энергетические потери и даже очень небольшие количества энергетической выгоды образцом, которые еще более трудно наблюдать, потому что они, менее вероятно, произойдут», сказал Идробо. «Ключ к нашему эксперименту – то, что статистические физические принципы говорят нам, что он, более вероятно, будет наблюдать энергетическую выгоду, когда образец будет нагрет. Это точно, что позволило нам измерять температуру нитрида бора. monochromated электронный микроскоп позволяет это от наноразмерных объемов.
Способность исследовать такие изящные физические явления в этих крошечных весах состоит в том, почему ORNL купила HERMES».Ученые ORNL постоянно выдвигают возможности электронных микроскопов позволить новым способам провести исследование центра деятельности. Когда разработчик электронного микроскопа Nion Ондредж Кривэнек спросил Идробо и Лупини, «Разве это не будет забава попробовать электронную энергетическую спектроскопию выгоды?» они воспользовались возможностью быть первыми, чтобы исследовать эту способность их инструмента HERMES.
Наноразмерная резолюция позволяет характеризовать местную температуру во время переходов фазы в материалах – невозможность с методами, у которых нет пространственного разрешения спектроскопии HERMES. Например, инфракрасная камера ограничена длиной волны инфракрасного света к намного большим объектам.Принимая во внимание, что в этом эксперименте ученые проверили наноразмерную окружающую среду при комнатной температуре приблизительно к 1 300 градусам Цельсия (2 372 градуса по Фаренгейту), HERMES мог быть полезен для изучения устройств, работающих через широкий спектр температур, например, электроника, которая работает под внешними условиями, чтобы транспортировать катализаторы, которые выполняют более чем 300 C/600 F.