纳米温度测量学新突破：材料结构和温度的实时观察

摘要：

原位透射电子显微镜（TEM）中的纳米温度测量学通过实时观察，有助于理解异质物质的功能机制。在此，本文介绍了一种基于玻尔兹曼分布的阴极射线发光（CL）纳米温度测量法，用于TEM中的原位局部温度探测。

镝离子在钒酸钇基质中接近的Stark子能级上的种群分布遵循玻尔兹曼分布，使得CL强度比可以作为温度计，在103–435 K的宽温度范围内具有超过3% K–1的相对灵敏度和±2%的精度。优于其他基于CL的温度计，当前方法不依赖于电子束参数和掺杂剂浓度，扩展了基于CL的纳米温度测量在电子显微镜中的稳健性和适用性。我们进一步展示了在激光照射下，TEM网格上温度分布的实时映射。

在同时观察材料中超精细结构和温度变化的技术进步，为先进材料的发展铺平了道路。这一创新预计将促进特定结构与样品热力学性质之间相关性的分析。

由联合国科学技术研究所（UNIST）化学系的Oh-Hoon Kwon教授领导的研究团队宣布开发了一种多功能的纳米温度计，能够准确测量透射电子显微镜（TEM）中微样品的温度。这种新设计的纳米温度计通过分析由纳米粒子发出的阴极射线发光（CL）光谱来测量温度，这些纳米粒子在受到电子束照射时充当温度计。在TEM中，电子束作为观察样品微结构的照明源，并用于温度测量。

虽然先前开发的纳米温度计可以与原位TEM一起使用以观察微结构变化，但它们需要根据电子束的强度进行调整，这给研究人员带来了重大挑战。

图1. 描述所开发纳米温度计温度测量基本原理的示意图。

在这项研究中，研究团队通过选择不同的纳米温度计材料提高了温度计的可靠性和多功能性。他们选择了镝离子（Dy3+）作为阴极射线发射的活性材料，从而提高了性能。

研究的主要作者Won-Woo Park解释说：“Dy³⁺的CL光谱中量子态的分布遵循仅依赖于温度的玻尔兹曼分布，而与电子束的强度无关。”玻尔兹曼分布是一种统计分布，描述了高能量子态的比例随温度升高而增加的现象。

研究团队将Dy3+融入能够承受电子束高能的钒酸钇（YVO4）中，合成了尺寸为150 nm的纳米温度计粒子。在-170°C至50°C的温度范围内进行评估时，所开发温度计的测量误差在大约4°C以内。

图2. 激光加热下的原位温度测量。

此外，该团队成功通过激光束照射样品提高了温度，并追踪了温度变化的空间分布。这一成就强调了该技术同时实时观察由于外部刺激引起的温度和结构变化的有效性。

Kwon教授表示：“通过重新设计纳米温度计的材料，我们显著提高了温度测量的可靠性并增强了多功能性。”他补充说：“这一创新也将有助于开发用于充电和放电应用的温度敏感二次电池材料和显示材料。”

该研究由主要作者Pavel K. Olshin博士和共同作者、去年被任命为首尔国立大学化学系教授的UNIST毕业生Ye-Jin Kim共同撰写。

研究成果发表在2024年12月的《ACS Nano》上，这是一本在纳米技术领域享有盛誉的期刊。这项工作得到了三星未来技术推广项目和韩国国家研究基金会（NRF）的支持。（JooHyeon Heo 公关团队）

期刊参考：

Pavel K. Olshin, Won-Woo Park, Ye-Jin Kim等，“原位透射电子显微镜中基于玻尔兹曼分布的阴极射线发光温度测量”，ACS Nano，（2024）。