Cientistas térmicos da Iowa State University, Shenzhen University e Shanghai University of Engineering Science, desenvolveram uma nova técnica de sondagem térmica baseada na razão de duas intensidades de pico de espalhamento Raman de ressonância.
Publicação no International Journal of Extreme Manufacturing , a equipe liderada pelo Prof. Xinwei Wang na Iowa State University, estudou sistematicamente e provou que a razão de duas intensidades de pico Raman de ressonância de um material 2D pode ser usada como um indicador para medição de temperatura de alta sensibilidade. Este novo desenvolvimento ampliará significativamente a medição de temperatura tradicional baseada em Raman (com base na mudança do número de onda), melhorando significativamente a sensibilidade e a robustez da medição.

A termometria baseada em Raman tem sido usada há décadas, principalmente rastreando a mudança do número de onda para medir a temperatura. Isso torna a termometria Raman uma natureza específica de material muito única, tornando possível obter uma medição de temperatura muito específica e sondar uma queda de temperatura em um espaçamento sub-nm.

No entanto, o número de onda Raman está sujeito a vários ruídos e incertezas experimentais, como foco óptico, interferência óptica dentro de um material e através de uma interface. A sensibilidade de medição final está documentada como baixa. Embora a intensidade de espalhamento Raman também mude com a temperatura, raramente é usada para medição de temperatura, pois é difícil controlar todas as condições experimentais para definir bem a intensidade de espalhamento.

Em ressonância Raman espalhamento (por exemplo, WS₂ ), devido à ligeira mudança de bandgap em relação à temperatura, a intensidade Raman espalhada é muito sensível à temperatura, e a intensidade de um único pico Raman ainda é difícil de usar para medição de temperatura.

Usando WS₂ nanofilmes, apoiados ou suspensos, as três equipes da Iowa State University, Shenzhen University e Shanghai University of Engineering Science descobriram que os dois picos Raman do WS₂ (E_2g e A_1g ), embora cada um deles apresente uma tendência de variação diferente em relação à temperatura, sua razão de intensidade surpreendentemente mostra um comportamento muito universal, independentemente do tamanho físico do material, suspenso ou apoiado, nível nm ou macrotamanho.

Também esta proporção mostra uma mudança dramática de 177 K para 477 K (>100 vezes). Isso demonstra claramente sua capacidade de medição de temperatura. Usando essa razão como indicador, as equipes caracterizaram a difusividade térmica e a condutividade térmica dos WS suspensos₂ nanofilmes com seu Raman resolvido no estado de transporte de energia (ET-Raman). Os resultados concordam muito bem com a medição baseada no número de onda Raman.

Um dos líderes da equipe, Prof. Xinwei Wang disse:"Este método Resonance Raman Ratio (R3) é superior à medição de temperatura clássica baseada em número de onda em três aspectos."

Primeiro, uma vez que a razão de intensidade é usada, qualquer focagem óptica ou mudança de intensidade induzida por interferência óptica será automaticamente eliminada na razão. Isso melhorará drasticamente a robustez da medição. Em segundo lugar, para muitos métodos baseados em número de onda, em baixas temperaturas o número de onda Raman torna-se muito menos sensível à mudança de temperatura, tornando a medição menos confiável.

No entanto, o método R3 tem uma sensibilidade quase universal de 177 K a 477 K. Para temperaturas ainda mais baixas, a medição é possível pela busca de materiais apropriados cuja mudança de bandgap causará maior variação de intensidade em temperaturas mais baixas. Terceiro, a descoberta tornará o WS₂ um sensor de temperatura promissor para medir as temperaturas de materiais ativos não Raman. O tempo de resposta do sensor será extremamente rápido (
Isso é muito atraente para monitoramento de temperatura em manufatura extrema.

Um dos líderes da equipe, Prof. Yangsu Xie está liderando sua equipe para realizar pesquisas ativas para estudar o transporte térmico em materiais em nanoescala usando espectroscopia Raman. Ela diz que "o método R3 realmente abre um novo caminho para estudar a resposta térmica de um material sob carga óptica ou outros tipos de carga térmica. Isso melhorará significativamente nossa capacidade experimental de explorar a física do transporte térmico em nanoescala que é difícil de sondar usando outras técnicas. "

"Além disso, o método R3 ainda mantém o recurso específico do material, tornando possível obter a medição de temperatura de domínio físico muito bem definido. Estamos entusiasmados com as aplicações promissoras dessa técnica no monitoramento de temperatura de alta resolução em manufaturas extremas. como na microeletrônica."

Embora o trabalho tenha relatado apenas a medição de R3 usando espalhamento Raman de ressonância induzida por laser de 532 nm, é possível escolher outros lasers de comprimento de onda (por exemplo, 633 nm, 488 nm, 785 nm) para espalhamento Raman de ressonância com materiais de bandgap combinado/próximo. Isso pode estender a faixa de medição de temperatura ou mudar a faixa para um nível projetado.

Esta alta sensibilidade torna possível empregar o método R3 para monitorar a resposta térmica dos materiais em manufatura extrema para compreensão física do processo, controle e otimização com resolução espacial muito alta (~nm) e resposta temporal ( + Explorar mais

Física e aplicações do sensoriamento distribuído de fibra óptica Raman