精细！科学家实现纳米精度范围内的温度测定学术资讯

▲Andrew Lupini和Juan Carlos Idrobo使用ORNL最新购入的单色化像差校正扫描透射电镜测定纳米尺寸材料的温度。

《物理评论快报》撰文称，近日美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的科研团队取得新发现。该团队在Nion和Protochips公司人员协助下，采用Nion公司制造的电子能量增益光谱（HERMES），成功测定了纳米材料的局部温度。据估计，该发现将提升科学家们对纳米尺寸材料独特的结构，物理和化学行为的认知，并有望对微电子设备，半导体材料等领域的发展产生促进作用。

原子始终处于振动状态，温度越高，振动越强烈。在此，科学家们利用HERMES，通过直接测定材料中与热量相关联的原子振动，获知了半导体六方氮化硼的温度。“这个‘温度计’的最关键之处在于，它无需温度校正。”ORNL科学家Juan CARLOS Idrobo解释说。“ORNL使用的HERMES可以直接测定纳米尺度上的温度。”ORNL科学家Andrew Lupini补充说。使用HERMES测量温度，只需知道待测材料一个原子的振动能量和强度即可——这两个参数正是实验中所测定的。振动能量和强度被描述为峰值，用以计算能量增益和能量损失之间的比值。“根据比值，我们就可以知道温度了，”Lupini说，“除此之外，我们不需要其他任何信息。”

1966年，H. Boersch，J. Geiger和W. Stickel在《物理评论快报》中报道了一种适用于更大尺寸的电子能量增益光谱，并认为用该方法的测量取决于样本的温度。基于该结论，ORNL团队提出这样一个假设：借助电子显微镜，通过单色化电子束（便于在较窄范围内控制能量）测量纳米材料的温度是可行的。

为了进行电子能量增益和损失光谱实验，科学家们在电子显微镜中放置了一个样品材料。在大多数电子不与样品相互作用的情况下，显微镜发出的电子束通过了样品。在电子能量损失光谱中，电子束在通过样品时损失了能量，而在电子能量增益光谱中，电子束通过与样品的相互作用而获得了能量。“HERMES可以让我们测量到之前难以觉察的能量增减，”Idrobo说，“统计物理学原理告诉我们，当样品被加热时，更容易检测到能量增益。这正是我们测量六方氮化硼温度的原因。单色化电子显微镜使测量精度达到了纳米级。”ORNL的科学家们一直致力于推动电子显微镜技术在前沿科学中的创新应用。当Nion的研发人员Ondrej Krivanek向Idrobo等开玩笑“试试电子能量增益光谱怎么样？”时，Idrobo等立刻实施了这一奇思妙想，进而促生了首次利用HERMES测定纳米材料温度的成果。

温度测量达到纳米精度使材料在相变过程中的局部温度测定成为可能。实验中，科学家们对纳米尺寸区域的温度测量范围为室温至1300℃。HERMES对温度的适应性，将使其成为研究设备（如操作条件下的电子设备和汽车催化剂）工作性能的利器。

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编译：雷鑫宇审稿：alone 编辑：张梦

来源：

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/03/180313113417.htm