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美国家实验室开发纳米材料的光谱温度计
日期:2018年07月13日     

    美国能源部科学办公室发布消息,能源部橡树岭国家实验室的研究团队发现了一种测量纳米尺度局部温度的新方法。其题为“基于能量增益损耗光谱学利用纳米级电子探针进行温度测量”的论文发表在《物理评论快报》上。

    这项研究使用新型设备“高能量分辨率单色电子能量增益损失谱扫描透射电子显微镜(HERMES)”,采用了可生成高空间分辨率和高光谱细节图像的电子能量增益光谱学技术。HERMES设备通过直接观察与材料中的热量相对应的原子振动,来测量半导体六方氮化硼的温度。
   
    与其它温度计需要标定刻度相比,HERMES这种“温度计”不需要做温度标定,也不用事先了解材料的任何信息,只需知道材料中原子振动的能量和强度,即可直接测量纳米尺度的温度。

    HERMES设备使用单色电子束穿过被测样品,大部分电子几乎不与样品相互作用,在能量损耗谱中,电子在通过样品时损失能量,而在能量增益谱中,电子通过与样品相互作用获得能量。当样品变热时,观察到能量增益的可能性更大。HERMES能观察到非常小的能量增益或损失,再根据统计物理原理通过检测电子能量的增益或损耗谱来计算样品温度。

    HERMES设备可用于研究在很宽的温度范围内工作的器件,该项目研究了在室温到约1300摄氏度的范围内的温度测量。纳米级分辨率使研究人员能够在材料相变过程中表征局部温度。纳米尺度的温度测量能力还有助于推进微电子器件、半导体材料等技术,这些技术的发展需要测绘出原子级的热振动。