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2018年03月23日 | 物理学家发明世界上最小的温度计 有助于推进纳米技术发展
2018-03-23 来源：MIT科技评论
据报道，新型温度计的概念验证，指出了防止纳米电子设备过热发生爆炸的方法。
在十九世纪，瑞士宝玑（Breguet）制造的温度计是最准确的。现在，物理学家设计了一种通过检测电子的运动来测量热量的方法。随着电子元件变得越来越小，驱动它们的电流越来越集中，运行过程中的散热也就愈发困难。最终，系统故障的风险大大增加。测量温度的新方法对于防止纳米设备过热至关重要。据报道，新型温度计的概念验证，指出了防止纳米电子设备过热发生爆炸的方法。这项新技术可以测量纳米级别的氮化硼碎片温度，以大约半微米（500 纳米）为单位，为准确识别热量是否积聚，以及识别积聚位置开辟了道路。
该方法发表在《物理评论快报》上，是由 Juan Carlos Idrobo 领导的研究小组，使用扫描透射电子显微镜（STEM），在美国橡树岭国家实验室完成的。由于样本的热振动，该团队能够检测到 STEM 光束中电子能量的微小变化，这种技术被称为Energy Gain and Loss Spectroscopy。虽然光束中的大部分电子通过样本时没有变化，但其中很小一部分会减慢，增加一些振动能量，还有更小的一部分电子会吸收能量并加速。
两种现象出现的相对数量取决于温度：样本中的热量越多，电子加速的可能性就越大。该团队测量了这些能量转换，发现从室温到 1600 开尔文的温度区间内，都可以获得有效的读数。“使用水银温度计时，需要知道热膨胀系数，而对于红外成像技术，空间分辨率受限于红外线波长，要超过 700 纳米，”Idrobo 解释道。“但这种方法直接测量温度，不需要校准。”该方法的难点在于，获得或失去能量的电子产生的信号，比没有变化的电子产生的信号弱 10 万倍。更糟糕的是，在 STEM 光束中，能量转移比能量传播范围更小。幸运的是，该团队能够使用新设计的 STEM，后者由美国显微镜制造商 Nion 制造。它发射的电子传播更窄，从而实现选取转移后的电子能量。
除了狭窄的能量传播外，Nion 的 STEM 还能发射直径小于 1 纳米的狭窄光束。这使得新技术可以帮助探索温度的定义—这指的是，在不同的能量水平下，一定数量原子的平均温度。“测量单个原子的温度毫无意义，”Idrobo 表示。接下来，研究人员计划，通过将测量技术应用于具有温度梯度的纳米线上，探索温度的局部化过程。打造一个可以装入微电子电路板的探针并非易事，Nion 的 STEM 的高度超过 1.5 米，远远高于纳米级别。“研究如何将其应用于（纳米）样本需要花费几年的时间，这本身就是一个博士级别的项目，”Idrobo 补充道。
史海拾趣
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