Uma equipe científica liderada pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia encontrou uma nova maneira de medir a temperatura local de um material em uma área com cerca de um bilionésimo de metro de largura, ou aproximadamente 100, 000 vezes mais fino que um cabelo humano.

Esta descoberta, publicado em Cartas de revisão física , promete melhorar a compreensão de comportamentos físicos e químicos úteis, mas incomuns, que surgem em materiais e estruturas em nanoescala. A capacidade de medir temperaturas em nanoescala pode ajudar no avanço de dispositivos microeletrônicos, materiais semicondutores e outras tecnologias, cujo desenvolvimento depende do mapeamento das vibrações em escala atômica devido ao calor.

O estudo usou uma técnica chamada espectroscopia de ganho de energia de elétrons em um recém-adquirido, instrumento especializado que produz imagens com alta resolução espacial e grande detalhe espectral. O instrumento de 4 metros de altura, feito por Nion Co., é chamado HERMES, abreviatura de Microscópio eletrônico de transmissão de espectroscopia de perda de energia monocromada de alta resolução de energia.

Os átomos estão sempre tremendo. Quanto mais alta a temperatura, quanto mais os átomos tremem. Aqui, os cientistas usaram o novo instrumento HERMES para medir a temperatura do nitreto de boro hexagonal semicondutor, observando diretamente as vibrações atômicas que correspondem ao calor no material. A equipe incluiu parceiros de Nion (desenvolvedor do HERMES) e Protochips (desenvolvedor de um chip de aquecimento usado para o experimento).

"O que é mais importante sobre este 'termômetro' que desenvolvemos é que a calibração de temperatura não é necessária, "disse o físico Juan Carlos Idrobo, do Centro de Ciências de Materiais Nanofásicos, um DOE Office of Science User Facility em ORNL.

Outros termômetros requerem calibração prévia. Para fazer marcas de graduação de temperatura em um termômetro de mercúrio, por exemplo, o fabricante precisa saber quanto mercúrio se expande com o aumento da temperatura.

"O HERMES de ORNL, em vez disso, fornece uma medição direta da temperatura em nanoescala, "disse Andrew Lupini da Divisão de Ciência e Tecnologia de Materiais do ORNL. O experimentador só precisa saber a energia e a intensidade de uma vibração atômica em um material - ambas medidas durante o experimento.

Esses dois recursos são descritos como picos, que são usados ​​para calcular uma razão entre ganho de energia e perda de energia. "A partir disso, obtemos uma temperatura, Lupini explicou. "Não precisamos saber nada sobre o material de antemão para medir a temperatura."

Em 1966, também em Cartas de revisão física , H. Boersch, J. Geiger e W. Stickel publicaram uma demonstração de espectroscopia de ganho de energia de elétrons, em uma escala de comprimento maior, e apontou que a medição deve depender da temperatura da amostra. Com base nessa sugestão, a equipe ORNL hipotetizou que deveria ser possível medir a temperatura de um nanomaterial usando um microscópio eletrônico com um feixe de elétrons que é "monocromado" ou filtrado para selecionar energias dentro de uma faixa estreita.

Para realizar experimentos de espectroscopia de perda e ganho de energia de elétrons, os cientistas colocam uma amostra de material no microscópio eletrônico. O feixe de elétrons do microscópio atravessa a amostra, com a maioria dos elétrons mal interagindo com a amostra. Na espectroscopia de perda de energia de elétrons, o feixe perde energia à medida que passa pela amostra, enquanto na espectroscopia de ganho de energia, os elétrons ganham energia ao interagir com a amostra.

"O novo HERMES nos permite observar perdas de energia muito pequenas e até mesmo quantidades muito pequenas de ganho de energia pela amostra, que são ainda mais difíceis de observar porque são menos prováveis ​​de acontecer, "Disse Idrobo." A chave para o nosso experimento é que os princípios físicos estatísticos nos dizem que é mais provável observar ganho de energia quando a amostra é aquecida. Foi precisamente isso que nos permitiu medir a temperatura do nitreto de boro. O microscópio eletrônico monocromado permite isso a partir de volumes em nanoescala. A capacidade de sondar fenômenos físicos tão requintados nessas escalas minúsculas é o motivo pelo qual ORNL comprou o HERMES. "

Os cientistas do ORNL estão constantemente aprimorando os recursos dos microscópios eletrônicos para permitir novas maneiras de conduzir pesquisas de ponta. Quando o desenvolvedor do microscópio eletrônico da Nion, Ondrej Krivanek, perguntou a Idrobo e Lupini, "Não seria divertido tentar espectroscopia de ganho de energia de elétrons?" eles aproveitaram a chance de ser os primeiros a explorar essa capacidade de seu instrumento HERMES.

A resolução em nanoescala torna possível caracterizar a temperatura local durante as transições de fase em materiais - uma impossibilidade com técnicas que não possuem a resolução espacial da espectroscopia HERMES. Por exemplo, uma câmera infravermelha é limitada pelo comprimento de onda da luz infravermelha para objetos muito maiores.

Enquanto neste experimento os cientistas testaram ambientes em nanoescala em temperatura ambiente a cerca de 1300 graus Celsius (2372 graus Fahrenheit), o HERMES pode ser útil para estudar dispositivos que funcionam em uma ampla gama de temperaturas, por exemplo, eletrônicos que operam em condições ambientais para catalisadores de veículos que operam acima de 300 C / 600 F.