物理学者は、ナノメートルの分解能を持つ分光温度計を開発しました

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Anonim
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アメリカの物理学者は、電子エネルギー損失分光法を使用してナノ材料の局所温度を決定するための新しい方法を開発しました。科学者たちは、受け取ったエネルギーと失われたエネルギーのピークの位置を分析することで、約1ナノメートルのサイズの材料の摂氏1300度までの温度を測定することができます。

ナノ材料の局所温度の測定は、たとえばマイクロエレクトロニクスデバイスで発生する可能性のある熱損失に関連する重要なタスクの1つです。原則として、さまざまな材料の局所温度を超精密に決定するために、科学者は、加熱された物質が照射される電子の特徴的なエネルギー損失のスペクトルの分析に基づく方法を使用することを提案します。たとえば、つい最近、このような分析を使用して、科学者は最大2ナノメートルの空間分解能で2次元結晶の温度と熱膨張係数のマップを取得することができました。

オークリッジ国立研究所のJuanCarlos Idroboの指揮下にあるアメリカの物理学者は、正と負の両方のエネルギー範囲、つまり失われたエネルギーだけでなく、受け取った電子の特徴的なエネルギー損失の分光法を使用することを提案しました。このようなスペクトルでは、電子-フォノン相互作用に関連する2つの特徴的なピーク(絶対エネルギーは同じですが、1つは正の領域に、もう1つは負の領域にあります)を見つけることができます。温度。数値計算によると、材料の温度が上昇すると、これらのピークは両方とも低エネルギーの領域にシフトします。これは、材料の格子の熱膨張と非調和フォノン散乱によるものです。最初の要素は低温でより重要になり、2番目の要素は高温で支配的になります。

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温度の上昇に伴う電子によるエネルギー損失のスペクトルの変化。点線は摂氏50度のピークの開始位置を示しています。

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温度の上昇に伴う電子によるエネルギー損失のスペクトルの個々のピークの変化:左側-受信エネルギーのピーク、左側-失われた

科学者たちは、摂氏50度から1313度の温度範囲で、提案された方法を2次元窒化ホウ素でテストしました。両方のピークが実際に低エネルギーの領域にシフトし、このシフトは調査した温度範囲で直線的に発生することが判明しました。さらに、温度の上昇に伴う得られたエネルギーのピークもその強度を大幅に増加させ、これはフォノンが必要なエネルギー状態にある確率の増加に関連しています。したがって、スペクトル内のピークの位置に加えて、温度比は2つのピークの強度の比でもあり、調査対象の温度範囲で直線的に増加し、1%から27%に増加します。

科学者は、エネルギー損失のスペクトルを分析することにより、統計物理学の方法を使用した直接計算(キャリブレーションを必要としない)と、スペクトルのパラメーターの線形変化に基づく経験の両方で温度データを取得できることに注目しています。同時に、提案された方法は、電子ビームのサイズによって決定され、温度を測定することを可能にする空間分解能において、ナノ材料の局所温度測定の他の方法(中性子散乱またはラマン分光法など)よりも大幅に優れています。約1ナノメートルのサイズの領域。

量子効果によって特性が決定される材料を研究する場合、絶対零度とは10分の1度しか異なる非常に低い温度を測定する必要があることがよくあります。このために、特別な方法が開発されています。たとえば、クーロンブロッケードの効果に基づく電子温度計の助けを借りて、0、0037ケルビンの電子の温度を測定することができました。また、熱振動と量子振動の比較を使用して、物理学者は、校正を必要とせずに低温を測定できる内部量子標準を備えた温度計を入手しました。

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