Quando un WS2 di spessore nm sta sperimentando lo scattering Raman di risonanza sotto l'eccitazione laser a 532 nm, i suoi due picchi Raman (A1g e E2g ) hanno diversi comportamenti di variazione rispetto alla temperatura, mentre il loro rapporto (Ω =Io A1g / Io E2g ) mostra un comportamento universale indipendentemente dalla struttura del campione (spessore, sospeso o supportato). Questo rapporto cambia di oltre 100 volte da 177 K a 477 K, dimostrando la sua robustezza nel rilevamento della temperatura ad alta sensibilità. Credito:Hamidreza Zobeiri et al.
Gli scienziati termali della Iowa State University, della Shenzhen University e della Shanghai University of Engineering Science, hanno sviluppato una nuova tecnica di sondaggio termico basata sul rapporto tra due intensità di picco di diffusione Raman di risonanza.
Pubblicazione su International Journal of Extreme Manufacturing , il team guidato dal Prof. Xinwei Wang della Iowa State University, ha studiato e dimostrato sistematicamente che il rapporto tra due intensità di picco Raman di risonanza di un materiale 2D può essere utilizzato come indicatore per la misurazione della temperatura ad alta sensibilità. Questo nuovo sviluppo amplierà in modo significativo la tradizionale misurazione della temperatura basata su Raman (basata sullo spostamento del numero d'onda) migliorando al contempo significativamente la sensibilità e la robustezza della misurazione.
La termometria basata su Raman è stata utilizzata per decenni, principalmente monitorando lo spostamento del numero d'onda per misurare la temperatura. Ciò rende la termometria Raman una natura specifica del materiale davvero unica, rendendo possibile ottenere misurazioni della temperatura molto specifiche e sondare una caduta di temperatura attraverso una spaziatura sub-nm.
Tuttavia, il numero d'onda Raman è soggetto a vari rumori sperimentali e incertezze, come la messa a fuoco ottica, l'interferenza ottica all'interno di un materiale e attraverso un'interfaccia. La massima sensibilità di misura è documentata bassa. Sebbene l'intensità dello scattering Raman cambi anche con la temperatura, è usato raramente per la misurazione della temperatura poiché è difficile controllare tutte le condizioni sperimentali per definire bene l'intensità dello scattering.
In risonanza Raman scattering (es. WS2 ), a causa della leggera variazione del gap di banda rispetto alla temperatura, l'intensità Raman diffusa è molto sensibile alla temperatura e l'intensità di un singolo picco Raman è ancora difficile da usare per la misurazione della temperatura.
Utilizzando WS2 nanofilm, supportati o sospesi, i tre team della Iowa State University, della Shenzhen University e della Shanghai University of Engineering Science hanno scoperto che i due picchi Raman di WS2 (E2g e A1g ).
Anche questo rapporto mostra un cambiamento drammatico da 177 K a 477 K (> 100 volte). Ciò dimostra chiaramente la sua capacità di misurare la temperatura. Utilizzando questo rapporto come indicatore, i team hanno caratterizzato la diffusività termica e la conducibilità termica di WS sospesi2 nanofilm con il loro trasporto di energia Raman con risoluzione dello stato (ET-Raman). I risultati concordano molto bene con la misurazione basata sul numero d'onda Raman.
Uno dei leader del team, il prof. Xinwei Wang, ha affermato:"Questo metodo Resonance Raman Ratio (R3) è superiore alla classica misurazione della temperatura basata sul numero d'onda sotto tre aspetti".
In primo luogo, poiché viene utilizzato il rapporto di intensità, qualsiasi spostamento di intensità indotto da focalizzazione ottica o interferenza ottica verrà automaticamente eliminato nel rapporto. Ciò migliorerà notevolmente la robustezza della misurazione. In secondo luogo, per molti metodi basati sul numero d'onda, alle basse temperature il numero d'onda Raman diventa molto meno sensibile alle variazioni di temperatura, rendendo la misurazione meno affidabile.
Tuttavia, il metodo R3 ha una sensibilità quasi universale da 177 K a 477 K. Per temperature ancora più basse, la misurazione è possibile cercando materiali appropriati il cui cambiamento di bandgap causerà una maggiore variazione di intensità a temperature più basse. Terzo, il risultato renderà WS2 un promettente sensore di temperatura per misurare le temperature di materiali attivi non Raman. La risposta temporale del sensore sarà estremamente veloce (
Questo è molto interessante per il monitoraggio della temperatura nella produzione estrema.
Uno dei leader del team, la prof.ssa Yangsu Xie, sta guidando il suo team a condurre una ricerca attiva per studiare il trasporto termico nei materiali su scala nanometrica utilizzando la spettroscopia Raman. Dice che "il metodo R3 apre davvero una nuova strada per studiare la risposta termica di un materiale sotto carico ottico o di altro tipo. Ciò migliorerà significativamente la nostra capacità sperimentale di esplorare la fisica del trasporto termico su scala nanometrica che è difficile da sondare utilizzando altre tecniche. "
"Inoltre, il metodo R3 mantiene ancora la caratteristica specifica del materiale, quindi consente di ottenere il rilevamento della temperatura di un dominio fisico molto ben definito. Siamo entusiasti delle promettenti applicazioni di questa tecnica nel monitoraggio della temperatura ad alta risoluzione anche nella produzione estrema come nella microelettronica."
Sebbene il lavoro abbia riportato solo la misurazione R3 utilizzando lo scattering Raman a risonanza indotta dal laser a 532 nm, è possibile scegliere altri laser a lunghezza d'onda (ad es. 633 nm, 488 nm, 785 nm) per lo scattering Raman di risonanza con materiali di bandgap abbinato/vicino. Ciò potrebbe estendere l'intervallo di misurazione della temperatura o spostare l'intervallo a un livello progettato.
Questa elevata sensibilità consente di utilizzare il metodo R3 per monitorare la risposta termica dei materiali nella produzione estrema per la comprensione, il controllo e l'ottimizzazione della fisica del processo con una risoluzione spaziale (~ nm) e una risposta temporale ( Fisica e applicazioni del rilevamento in fibra ottica distribuita Raman
