Des scientifiques thermiques de l'Université d'État de l'Iowa, de l'Université de Shenzhen et de l'Université des sciences de l'ingénieur de Shanghai ont développé une nouvelle technique de sondage thermique basée sur le rapport de deux intensités de crête de diffusion Raman de résonance.

Publication dans le International Journal of Extreme Manufacturing , l'équipe dirigée par le professeur Xinwei Wang de l'Iowa State University, a systématiquement étudié et prouvé que le rapport de deux intensités de pic Raman de résonance d'un matériau 2D peut être utilisé comme indicateur pour la mesure de température à haute sensibilité. Ce nouveau développement élargira considérablement la mesure de température traditionnelle basée sur Raman (basée sur le décalage du nombre d'onde) tout en améliorant considérablement la sensibilité et la robustesse de la mesure.

La thermométrie basée sur Raman est utilisée depuis des décennies, principalement en suivant le décalage du nombre d'onde pour mesurer la température. Cela confère à la thermométrie Raman une nature spécifique au matériau tout à fait unique, ce qui permet d'obtenir une mesure de température très spécifique et de sonder une chute de température sur un espacement inférieur au nm.

Cependant, le nombre d'onde Raman est soumis à divers bruits et incertitudes expérimentaux, tels que la focalisation optique, les interférences optiques dans un matériau et à travers une interface. La sensibilité de mesure ultime documentée est faible. Bien que l'intensité de diffusion Raman change également avec la température, elle est rarement utilisée pour la mesure de la température car il est difficile de contrôler toutes les conditions expérimentales pour bien définir l'intensité de diffusion.

En diffusion Raman de résonance (par exemple WS₂ ), en raison du léger changement de bande interdite par rapport à la température, l'intensité Raman diffusée est très sensible à la température, et l'intensité d'un seul pic Raman est encore difficile à utiliser pour la mesure de la température.

En utilisant WS₂ nanofilms, supportés ou suspendus, les trois équipes de l'Iowa State University, de l'Université de Shenzhen et de l'Université des sciences de l'ingénieur de Shanghai ont découvert que les deux pics Raman de WS₂ (E_2g et A_1g ), bien que chacun d'eux montre une tendance de variation différente en fonction de la température, leur rapport d'intensité montre étonnamment un comportement très universel, quelle que soit la taille physique du matériau, suspendu ou supporté, au niveau nm ou macro.

De plus, ce rapport montre un changement spectaculaire de 177 K à 477 K (> 100 fois). Cela démontre clairement sa capacité à mesurer la température. En utilisant ce rapport comme indicateur, les équipes ont caractérisé la diffusivité thermique et la conductivité thermique des WS suspendus₂ nanofilms avec leur Raman à résolution d'état de transport d'énergie (ET-Raman). Les résultats concordent très bien avec la mesure basée sur le nombre d'onde Raman.

L'un des chefs d'équipe, le professeur Xinwei Wang, a déclaré :« Cette méthode du rapport Raman de résonance (R3) est supérieure à la mesure classique de la température basée sur le nombre d'ondes sous trois aspects.

Premièrement, étant donné que le rapport d'intensité est utilisé, toute focalisation optique ou décalage d'intensité induit par des interférences optiques sera automatiquement éliminé dans le rapport. Cela améliorera considérablement la robustesse de la mesure. Deuxièmement, pour de nombreuses méthodes basées sur le nombre d'onde, à basse température, le nombre d'onde Raman devient beaucoup moins sensible au changement de température, ce qui rend la mesure moins fiable.

Cependant, la méthode R3 a une sensibilité presque universelle de 177 K à 477 K. Pour des températures encore plus basses, la mesure est possible en recherchant des matériaux appropriés dont le changement de bande interdite entraînera une plus grande variation d'intensité à des températures plus basses. Troisièmement, la découverte rendra WS₂ un capteur de température prometteur pour mesurer les températures de matériaux actifs non Raman. La réponse temporelle du capteur sera extrêmement rapide (

Ceci est très intéressant pour la surveillance de la température dans la fabrication extrême.

L'un des chefs d'équipe, le professeur Yangsu Xie, dirige son équipe pour mener des recherches actives afin d'étudier le transport thermique dans les matériaux à l'échelle nanométrique à l'aide de la spectroscopie Raman. Elle dit que "la méthode R3 ouvre véritablement une nouvelle voie pour étudier la réponse thermique d'un matériau sous des charges thermiques optiques ou autres. Cela améliorera considérablement notre capacité expérimentale à explorer la physique du transport thermique à l'échelle nanométrique qui est difficile à sonder à l'aide d'autres techniques. "

"De plus, la méthode R3 conserve toujours la caractéristique spécifique au matériau, ce qui permet de réaliser des sondages de température dans un domaine physique très bien défini. Nous sommes ravis des applications prometteuses de cette technique dans la surveillance de la température à haute résolution dans la fabrication extrême ainsi comme en microélectronique."

Bien que les travaux n'aient rapporté que la mesure R3 utilisant la diffusion Raman par résonance induite par laser à 532 nm, il est possible de choisir d'autres lasers de longueur d'onde (par exemple 633 nm, 488 nm, 785 nm) pour la diffusion Raman par résonance avec des matériaux de bande interdite adaptée/fermée. Cela pourrait étendre la plage de mesure de la température ou déplacer la plage à un niveau conçu.

Cette sensibilité élevée permet d'utiliser la méthode R3 pour surveiller la réponse thermique des matériaux dans la fabrication extrême pour la compréhension, le contrôle et l'optimisation physiques des processus avec une résolution spatiale (~nm) et une réponse temporelle ( + Explorer plus loin

Physique et applications de la détection par fibre optique distribuée Raman