利用電子顯微鏡居然可以觀察材料的溫度？
圖為UIC的物理學教授Robert Klie。圖片來自：Jenny Fontaine
芝加哥伊利諾伊大學（UIC）的研究人員開發了一種用于精確測量二維（2D）材料的溫度和材料行為的新技術，工程師利用這項技術可以設計更小更快的微處理器，在Physical Review Letters的論文中對于這項技術做了詳細的報道。
新開發的二維材料如石墨烯和過渡金屬二硫屬化合物（TMDs）有可能取代目前傳統的且容量已達極限的基于硅的微處理芯片。但是工程師們因為無法測量溫度變化不知對這些二維材料有什么影響。
結合光譜學使用掃描透射電子顯微鏡，UIC的研究人員現在已能夠測量原子級別的幾種2D材料的溫度，為更小更快的微處理器鋪平了道路。他們還能夠使用他們的技術來確定二維材料在加熱時如何膨脹以及在冷卻時收縮情況。
UIC的物理學教授兼通訊作者Robert Klie說：“計算機和其他電子設備中的微處理芯片使用后會變得非常熱，我們不僅需要能夠測量能夠所散發出來的熱量，而且還要測量在受熱時材料的膨脹程度。而且了解材料如何膨脹是非常重要的，因為如果材料膨脹得太多，與其他材料（如金屬線）的連接就會斷裂，芯片就無用了。”
因為微處理器的二維材料片很小，所以測量溫度的傳統方法并不適用。例如，使用反射激光測量溫度的光學溫度測量不能用于TMD薄片，因為薄片沒有足夠的表面積來容納激光束。
“我們需要了解熱量是如何積聚的，以及它如何在兩種材料之間的界面上傳播，以建立高效的微處理器，”Klie說。
他和他的同事們設計了一種方法，利用掃描過渡電子顯微鏡在原子水平上測量TMDs，即將電子束通過樣品形成圖像。
“利用這種技術，我們可以重新進行測量原子和電子的振動，這實質上是二維材料中單個原子的溫度，”Klie還解釋說。溫度是構成材料的粒子或原子的隨機運動的平均動能的量度。隨著材料變熱，原子振動的頻率變得更高。在絕對零度，最低理論溫度下，所有原子運動停止。
Klie和他的同事在掃描透射電子顯微鏡室內將各種TMD的微觀“薄片”加熱到不同溫度后，利用顯微鏡的電子束對材料進行掃描。使用稱為電子能量損失光譜學的技術，他們能夠測量2D材料中電子的散射。這些散射圖案被輸入到計算機模型中，將其轉換成材料中原子振動的測量值 – 換言之，原子級材料的溫度。
Klie說：“利用這種新技術，我們可以測量材料的溫度，分辨率，而這比傳統方法的精準度要高出近10倍，采用這種新方法，我們可以設計出更好的電子設備，而這些設備不易過熱并且功耗更低。”
該技術還可用于預測加熱時2D材料的膨脹程度以及冷卻時的收縮程度。這將有助于工程師制造在一種材料接觸另一種材料時不易斷裂的芯片，例如當2D材料芯片與導線接觸時。
Klie說：“沒有其他方法可以測量我們報告的空間分辨率的這種影響，這將允許工程師設計能夠管理納米級別兩種不同材料之間溫度變化的器件。”
文章來自materialstoday
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