利用电子显微镜居然可以观察材料的温度？

图为UIC的物理学教授Robert Klie。图片来自：Jenny Fontaine

芝加哥伊利诺伊大学（UIC）的研究人员开发了一种用于精确测量二维（2D）材料的温度和材料行为的新技术，工程师利用这项技术可以设计更小更快的微处理器，在Physical Review Letters的论文中对于这项技术做了详细的报道。

新开发的二维材料如石墨烯和过渡金属二硫属化合物（TMDs）有可能取代目前传统的且容量已达极限的基于硅的微处理芯片。但是工程师们因为无法测量温度变化不知对这些二维材料有什么影响。

结合光谱学使用扫描透射电子显微镜，UIC的研究人员现在已能够测量原子级别的几种2D材料的温度，为更小更快的微处理器铺平了道路。他们还能够使用他们的技术来确定二维材料在加热时如何膨胀以及在冷却时收缩情况。

UIC的物理学教授兼通讯作者Robert Klie说：“计算机和其他电子设备中的微处理芯片使用后会变得非常热，我们不仅需要能够测量能够所散发出来的热量，而且还要测量在受热时材料的膨胀程度。而且了解材料如何膨胀是非常重要的，因为如果材料膨胀得太多，与其他材料（如金属线）的连接就会断裂，芯片就无用了。”

因为微处理器的二维材料片很小，所以测量温度的传统方法并不适用。例如，使用反射激光测量温度的光学温度测量不能用于TMD薄片，因为薄片没有足够的表面积来容纳激光束。

“我们需要了解热量是如何积聚的，以及它如何在两种材料之间的界面上传播，以建立高效的微处理器，”Klie说。

他和他的同事们设计了一种方法，利用扫描过渡电子显微镜在原子水平上测量TMDs，即将电子束通过样品形成图像。

“利用这种技术，我们可以重新进行测量原子和电子的振动，这实质上是二维材料中单个原子的温度，”Klie还解释说。温度是构成材料的粒子或原子的随机运动的平均动能的量度。随着材料变热，原子振动的频率变得更高。在绝对零度，最低理论温度下，所有原子运动停止。

Klie和他的同事在扫描透射电子显微镜室内将各种TMD的微观“薄片”加热到不同温度后，利用显微镜的电子束对材料进行扫描。使用称为电子能量损失光谱学的技术，他们能够测量2D材料中电子的散射。这些散射图案被输入到计算机模型中，将其转换成材料中原子振动的测量值 – 换言之，原子级材料的温度。

Klie说：“利用这种新技术，我们可以测量材料的温度，分辨率，而这比传统方法的精准度要高出近10倍，采用这种新方法，我们可以设计出更好的电子设备，而这些设备不易过热并且功耗更低。”

该技术还可用于预测加热时2D材料的膨胀程度以及冷却时的收缩程度。这将有助于工程师制造在一种材料接触另一种材料时不易断裂的芯片，例如当2D材料芯片与导线接触时。

Klie说：“没有其他方法可以测量我们报告的空间分辨率的这种影响，这将允许工程师设计能够管理纳米级别两种不同材料之间温度变化的器件。”

文章来自materialstoday

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