Ученые превратили электронный микроскоп в самый маленький термометр на сегодняшний день - «Наука и технологии»

Разработчики всевозможных наноустройств и микроэлектромеханических систем очень часто сталкиваются с проблемой перегрева крошечных деталей, что приводит к потере работоспособности создаваемых ими устройств. К сожалению, до последнего времени на свете не существовало подходящей технологии, позволяющей с достаточно высокой точностью измерить температуру на столь малом масштабе. Но недавно такая технология появилась благодаря работе исследователей из Национальной лаборатории Ок-Ридж, а в роли измерителя температуры в данном случае используется просвечивающий сканирующий электронный микроскоп (scanning transmission electron microscope, STEM).

Работая со STEM-микроскопом, ученые обнаружили очень малые изменения энергии электронов луча микроскопа, вызванные тепловыми колебаниями атомом материала исследуемого образца. В то время, как основная масса электронов прошла через образец незатронутой, малая их часть замедлилась, потеряв часть свей энергии. И еще меньшая часть электронов ускорилась, получив энергию от вибрации атомов материала.

Соотношение количества этих двух отклонений энергии напрямую зависит от температуры исследуемого образца, чем выше эта температура, тем большая вероятность того, что электрон получит дополнительную энергию и ускорится. Проведя анализ изменений энергии электронов, ученые обнаружили, что данный метод обеспечивает высочайшую точность и линейность в диапазоне от комнатной температуры до 1600 градусов. При этом, данный метод измерения является "самым прямым" методом и для его работы не требуется никакой калибровки оборудования.

Самой большой проблемой является то, что сигнал от электронов, потерявших и получивших дополнительную энергию, в 100 тысяч раз слабее сигнала от общей массы электронов луча микроскопа. Решением этой проблемы стала необычная конструкция электронного микроскопа, предложенная специалистами американской компании Nion, в которой используется более узкий луч электронов, что позволяет позже отделить от него электроны, имеющие немного другую энергию, чем основная масса.

Луч электронов, используемый в новом микроскопе Nion, имеет диаметр менее 1 нанометра. Это, в свою очередь, позволяет измерять среднюю температуру очень маленьких участков материала, состоящих из единиц и десятков атомов, находящихся на различных энергетических уровнях.

К сожалению, самый маленький термометр в мире нельзя назвать компактным устройством. Электронный микроскоп Nion имеет высоту около 1.5 метров и в ближайшем будущем вряд ли появится возможность сокращения размеров такого устройства до размеров одного единственного специализированного чипа.