En metod för att mäta temperaturen på nanometerstora prover i ett transmissionselektronmikroskop (TEM) har utvecklats av professor Oh-Hoon Kwon och hans forskargrupp vid Institutionen för kemi vid UNIST.
Denna innovativa teknologi, som använder nanotermometrar baserade på katodoluminescens (CL) spektroskopi, öppnar nya möjligheter för att analysera de termodynamiska egenskaperna hos fina prover och främja utvecklingen av högteknologiska material.
Transmissionselektronmikroskopet tillåter forskare att observera prover med en förstoring av hundratusentals gånger genom att sända en kortvågig elektronstråle genom provet. Genom att detektera ljus som emitteras från provet genom katodstråleemissionsspektroskopi kan forskare noggrant analysera provets fysikaliska och optiska egenskaper på nanometerskala.
De nyutvecklade nanotermometrarna är beroende av den temperaturberoende intensitetsvariationen hos ett specifikt katodstråleemissionsband av europiumjoner (Eu 3+ ). Genom att syntetisera nanopartiklar dopade med europiumjoner i gadoliniumoxid (Gd2 O 3 ), säkerställde forskargruppen minimal skada från elektronstrålen, vilket möjliggjorde långtidsexperiment.
Genom dynamisk analys bekräftade teamet att intensitetsförhållandet för det ljusemitterande bandet från europiumjoner är en pålitlig indikator på temperaturen, med ett imponerande mätfel på cirka 4 ℃ med hjälp av nanotermometerpartiklar som mäter cirka 100 nanometer i storlek. Denna metod ger mer än dubbelt så stor noggrannhet som konventionella TEM-temperaturmätningstekniker och förbättrar avsevärt rumslig upplösning.
Dessutom demonstrerade teamet användbarheten av nanotermometrarna genom att inducera temperaturförändringar med en laser inom TEM och samtidigt mäta temperatur- och strukturella variationer i realtid. Denna förmåga möjliggör analys av termodynamiska egenskaper på nanometernivå som svar på externa stimuli utan att störa standardförfaranden för TEM-analys.
Won-Woo Park, den första författaren till studien, betonade den icke-invasiva karaktären hos temperaturmätningsprocessen, och betonade att interaktionen mellan transmissionselektronstrålen och nanotermometerpartiklarna möjliggör temperaturdetektering i realtid utan att störa TEM-avbildning.
Han noterade, "Den stora fördelen med den utvecklade nanometern är att temperaturmätningsprocessen inte stör den befintliga analysen av transmissionselektronmikroskop. Eftersom temperaturen mäts med ljus, en biprodukt som genereras av interaktionen mellan transmissionselektronstrålen och nanometerpartikel, är det möjligt att mäta bilden av transmissionselektronmikroskopet och detektera temperaturen i realtid."
Professor Kwon underströk betydelsen av denna forskning och sa att "De utvecklade temperaturmätningsindikatorerna, i kombination med realtidsavbildningstekniker, underlättar observationen av lokala temperaturförändringar som svar på yttre stimuli. Detta framsteg är redo att avsevärt bidra till utvecklingen av högteknologiska material som sekundära batterier och bildskärmar."
Verket publiceras i tidskriften ACS Nano .
Mer information: Won-Woo Park et al, Nanoscale Cathodoluminescence Thermometri with a Lanthanide-Doped Heavy-Metal Oxide in Transmission Electron Microscopy, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c10020
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av Ulsan National Institute of Science and Technology
