Une équipe scientifique dirigée par le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie a trouvé un nouveau moyen de prendre la température locale d'un matériau d'une zone d'environ un milliardième de mètre de large, ou environ 100, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain.

Cette découverte, Publié dans Lettres d'examen physique , promet d'améliorer la compréhension des comportements physiques et chimiques utiles mais inhabituels qui surviennent dans les matériaux et les structures à l'échelle nanométrique. La capacité de prendre des températures à l'échelle nanométrique pourrait aider à faire progresser les dispositifs microélectroniques, matériaux semi-conducteurs et autres technologies, dont le développement dépend de la cartographie des vibrations à l'échelle atomique dues à la chaleur.

L'étude a utilisé une technique appelée spectroscopie de gain d'énergie électronique dans un instrument spécialisé qui produit des images avec à la fois une haute résolution spatiale et un grand détail spectral. L'instrument de 13 pieds de haut, fabriqué par Nion Co., s'appelle HERMES, Abréviation de High Energy Resolution Monochromated Electron spectroscopie de perte d'énergie-microscope électronique à transmission à balayage.

Les atomes tremblent toujours. Plus la température est élevée, plus les atomes tremblent. Ici, les scientifiques ont utilisé le nouvel instrument HERMES pour mesurer la température du nitrure de bore hexagonal semi-conducteur en observant directement les vibrations atomiques qui correspondent à la chaleur dans le matériau. L'équipe comprenait des partenaires de Nion (développeur d'HERMES) et de Protochips (développeur d'une puce chauffante utilisée pour l'expérimentation).

"Ce qui est le plus important à propos de ce 'thermomètre' que nous avons développé, c'est que l'étalonnage de la température n'est pas nécessaire, " a déclaré le physicien Juan Carlos Idrobo du Center for Nanophase Materials Sciences, une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à l'ORNL.

D'autres thermomètres nécessitent un étalonnage préalable. Pour faire des graduations de température sur un thermomètre à mercure, par exemple, le fabricant doit connaître la quantité de mercure qui se dilate à mesure que la température augmente.

« HERMES de l'ORNL donne plutôt une mesure directe de la température à l'échelle nanométrique, " a déclaré Andrew Lupini de la division Science et technologie des matériaux de l'ORNL. L'expérimentateur n'a besoin que de connaître l'énergie et l'intensité d'une vibration atomique dans un matériau, qui sont toutes deux mesurées au cours de l'expérience.

Ces deux caractéristiques sont représentées sous forme de pics, qui sont utilisées pour calculer un rapport entre le gain d'énergie et la perte d'énergie. "De là, nous obtenons une température, " expliqua Lupini. " Nous n'avons pas besoin de savoir quoi que ce soit sur le matériau à l'avance pour mesurer la température. "

En 1966, aussi dans Lettres d'examen physique , H. Boersch, J. Geiger et W. Stickel ont publié une démonstration de spectroscopie de gain d'énergie électronique, à plus grande échelle de longueur, et a souligné que la mesure devrait dépendre de la température de l'échantillon. Sur la base de cette suggestion, l'équipe de l'ORNL a émis l'hypothèse qu'il devrait être possible de mesurer la température d'un nanomatériau à l'aide d'un microscope électronique avec un faisceau d'électrons « monochromatique » ou filtré pour sélectionner des énergies dans une plage étroite.

Pour effectuer des expériences de spectroscopie de gain et de perte d'énergie électronique, les scientifiques placent un échantillon de matériau dans le microscope électronique. Le faisceau d'électrons du microscope traverse l'échantillon, avec la majorité des électrons interagissant à peine avec l'échantillon. En spectroscopie de perte d'énergie électronique, le faisceau perd de l'énergie lorsqu'il traverse l'échantillon, alors qu'en spectroscopie à gain d'énergie, les électrons gagnent de l'énergie en interagissant avec l'échantillon.

"Le nouvel HERMES nous permet d'observer des pertes d'énergie très infimes et même de très faibles quantités de gain d'énergie par l'échantillon, qui sont encore plus difficiles à observer car moins susceptibles de se produire, " dit Idrobo. " La clé de notre expérience est que les principes physiques statistiques nous disent qu'il est plus probable d'observer un gain d'énergie lorsque l'échantillon est chauffé. C'est précisément ce qui nous a permis de mesurer la température du nitrure de bore. Le microscope électronique monochromatique permet cela à partir de volumes nanométriques. La capacité de sonder des phénomènes physiques aussi exquis à ces échelles minuscules est la raison pour laquelle l'ORNL a acheté l'HERMES."

Les scientifiques de l'ORNL poussent constamment les capacités des microscopes électroniques pour permettre de nouvelles façons de mener des recherches de pointe. Lorsque le développeur de microscope électronique à Nion, Ondrej Krivanek, a demandé à Idrobo et Lupini, « Ne serait-il pas amusant d'essayer la spectroscopie de gain d'énergie électronique ? ils ont sauté sur l'occasion d'être les premiers à explorer cette capacité de leur instrument HERMES.

La résolution nanométrique permet de caractériser la température locale lors des transitions de phase dans les matériaux, une impossibilité avec des techniques qui n'ont pas la résolution spatiale de la spectroscopie HERMES. Par exemple, une caméra infrarouge est limitée par la longueur d'onde de la lumière infrarouge à des objets beaucoup plus gros.

Alors que dans cette expérience, les scientifiques ont testé des environnements à l'échelle nanométrique à température ambiante jusqu'à environ 1300 degrés Celsius (2372 degrés Fahrenheit), l'HERMES pourrait être utile pour étudier des appareils fonctionnant dans une large gamme de températures, par exemple, l'électronique qui fonctionne dans des conditions ambiantes aux catalyseurs de véhicules qui fonctionnent à plus de 300 C/600 F.