Termoforskare från Iowa State University, Shenzhen University och Shanghai University of Engineering Science har utvecklat en ny termisk sonderingsteknik baserad på förhållandet mellan två resonans-Raman-spridningstoppintensiteter.

Publicering i International Journal of Extreme Manufacturing , teamet ledd av prof. Xinwei Wang vid Iowa State University, studerade systematiskt och bevisade att förhållandet mellan två resonans-Raman-toppintensiteter i ett 2D-material kan användas som en indikator för högkänslig temperaturmätning. Denna nya utveckling kommer att avsevärt bredda den traditionella Raman-baserade temperaturmätningen (baserat på vågnummerförskjutning) samtidigt som mätningens känslighet och robusthet förbättras avsevärt.

Ramanbaserad termometri har använts i decennier, mestadels genom att spåra vågnummerförskjutningen för att mäta temperatur. Detta ger en mycket unik materialspecifik karaktär hos Raman-termometrin, vilket gör det möjligt att uppnå mycket specifik temperaturmätning och undersöka ett temperaturfall över ett avstånd under nm.

Ramans vågnummer utsätts dock för olika experimentella brus och osäkerheter, såsom optisk fokusering, optisk interferens inom ett material och över ett gränssnitt. Den ultimata mätkänsligheten är dokumenterad låg. Även om Raman-spridningsintensiteten också ändras med temperaturen, används den sällan för temperaturmätning eftersom det är svårt att kontrollera alla experimentella förhållanden för att väl definiera spridningsintensiteten.

I resonans Raman-spridning (t.ex. WS₂ ), på grund av den lilla bandgap-ändringen mot temperaturen, är den spridda Raman-intensiteten mycket känslig för temperatur, och intensiteten för en enda Raman-topp är fortfarande svår att använda för temperaturmätning.

Genom att använda WS₂ nanofilmer, antingen stödda eller avstängda, upptäckte de tre teamen vid Iowa State University, Shenzhen University och Shanghai University of Engineering Science att de två Raman-topparna i WS₂ (E_2g och A_1g ), även om var och en av dem visar olika variationstrend mot temperatur, visar deras intensitetsförhållande överraskande nog ett mycket universellt beteende, oavsett materialets fysiska storlek, upphängd eller stödd, nm-nivå eller makrostorlek.

Även detta förhållande visar dramatisk förändring från 177 K till 477 K (>100-faldigt). Detta visar tydligt dess förmåga till temperaturmätning. Med hjälp av detta förhållande som indikator har teamen karakteriserat den termiska diffusiviteten och värmeledningsförmågan för suspenderad WS₂ nanofilmer med sin energitransportstatsupplösta Raman (ET-Raman). Resultaten stämmer mycket väl överens med mätningen baserad på Raman vågnummer.

En av teamledarna, Prof. Xinwei Wang sa:"Denna Resonance Raman Ratio (R3) metod är överlägsen den klassiska vågtalsbaserade temperaturmätningen i tre aspekter."

För det första, eftersom intensitetsförhållandet används, kommer all optisk fokusering eller optisk interferensinducerad intensitetsförskjutning att automatiskt elimineras i förhållandet. Detta kommer att avsevärt förbättra mätningens robusthet. För det andra, för många vågnummerbaserade metoder, vid låga temperaturer blir Raman-vågnumret mycket mindre känsligt för temperaturförändringar, vilket gör mätningen mindre tillförlitlig.

R3-metoden har dock en nästan universell känslighet från 177 K till 477 K. För ännu lägre temperaturer är mätning möjlig genom att söka efter lämpliga material vars bandgap förändring kommer att orsaka större intensitetsvariation vid lägre temperaturer. För det tredje kommer fyndet att göra WS₂ en lovande temperatursensor för att mäta temperaturen på icke-Raman-aktiva material. Sensorns tidsrespons kommer att vara extremt snabb (

Detta är mycket attraktivt för temperaturövervakning vid extrem tillverkning.

En av teamledarna, Prof. Yangsu Xie, leder sitt team för att bedriva aktiv forskning för att studera termisk transport i nanoskala material med hjälp av Raman-spektroskopi. Hon säger att "R3-metoden öppnar verkligen en ny väg för att studera ett materials termiska respons under antingen optisk eller andra typer av termisk belastning. Detta kommer avsevärt att förbättra vår experimentella förmåga att utforska nanoskala termisk transportfysik som är svår att undersöka med andra tekniker. "

"Också R3-metoden har fortfarande den materialspecifika egenskapen, så den gör det möjligt att uppnå temperatursondering av mycket väldefinierade fysiska domäner. Vi är glada över de lovande tillämpningarna av denna teknik i högupplöst temperaturövervakning även vid extrem tillverkning. som i mikroelektronik."

Även om arbetet endast rapporterade R3-mätningen med 532 nm laserinducerad resonans Raman-spridning, är det möjligt att välja andra våglängdslasrar (t.ex. 633 nm, 488 nm, 785 nm) för resonans Raman-spridning med material med matchat/nära bandgap. Detta kan förlänga temperaturmätningsområdet eller flytta området till en designad nivå.

Denna höga känslighet gör det möjligt att använda R3-metoden för att övervaka materialens termiska respons vid extrem tillverkning för processfysisk förståelse, kontroll och optimering med mycket hög rumslig upplösning (~nm) och tidssvar ( + Utforska vidare

Fysik och tillämpningar av Raman distribuerad optisk fiberavkänning