用比花粉更小的纳米温度计测量“微小温度”

UNIST Kwon Ohun 教授团队开发纳米级局部测量方法

为实时分析法提供热力学信息，发表于《ACS Nano》

一种利用比花粉还小的纳米温度计测量微小区域温度的方法已经被开发出来。通过分析微小样品的热力学特性，有望应用于前沿材料开发，被视为具有应用前景的研究成果。

蔚山科学技术院（UNIST，总长 Lee Yonghoon）22日表示，化学系教授 Kwon Ohoon 团队利用阴极发光（cathodoluminescence, CL）光谱技术，开发出一种可在透射电子显微镜内部测量具有纳米级尺寸样品温度的技术，即“纳米温度计”。

透射电子显微镜是将具有极短波长的电子束透过微小样品，从而将样品放大数十万倍以上进行观测的设备。

据研究团队介绍，利用透射电子显微镜的阴极发光光谱技术，是在电子束透过样品时，检测因电子与样品之间相互作用而由样品产生的光。借此可以在纳米尺度上精细区分、测量并分析样品的物理和光学特性。

当对样品施加外力等外部刺激时，样品的结构和化学特性会发生变化，样品微小区域的温度也会随之改变。通过分析这些变化，可以确认在局部区域中发生反应的热力学特性，从而可应用于多种尖端器件核心材料的研究。

Kwon Ohoon 教授表示：“透射电子显微镜用样品本身尺寸只有纳米量级，非常微小，而且显微镜内部处于高真空状态，因此观测微小区域的温度极为困难。”

研究团队注意到，铕离子（Eu3+）所具有的特定阴极发光带强度会随温度变化而改变，并以此为基础开发了纳米温度计。

他们首先合成了在氧化钆（Gd2O3）中掺杂铕离子的纳米颗粒。由氧化钆构成的纳米颗粒在电子束照射下受损较小，因此可以在电子束照射环境中进行长时间实验。

随后，研究团队应用了阴极发光检测技术，确认纳米颗粒中铕离子发射的发光带强度比值对温度高度敏感。通过动力学分析，还阐明了发光强度的温度依赖机理。在此基础上，将发光带强度比值作为温度测量的指标。

研究团队利用约100纳米尺寸的纳米温度计颗粒测量周围温度，观测到约4℃左右的测量误差。据悉，与现有透射电子显微镜温度测量方法相比，其误差缩小了一半以上，是一种精度更高且具有更高空间分辨率的温度测量方法。

此外，研究团队还在透射电子显微镜内部对局部区域进行激光照射以诱导温度变化，并利用纳米温度计对其进行测量。这表明，有可能在纳米尺度上，同时观测因外部刺激而实时变化的温度和结构，从而区分并分析局部区域的热力学特性。

第一作者研究员 Park Wonwoo 表示：“本次开发的纳米温度计的一大优势在于，温度测量过程不会干扰既有的透射电子显微镜分析。由于是利用透射电子束与纳米温度计颗粒相互作用产生的副产物——光来测量温度，因此可以在进行透射电子显微镜成像测量的同时，实现实时温度检测。”

Kwon Ohoon 教授表示：“我们通过系统分析给出了温度测量指标，并将其与实时成像技术相结合。该技术可用于观测因外部刺激而变化的样品局部温度变化，将对二次电池、显示器等尖端材料的开发作出重要贡献。”

本研究成果已于1月30日在线发表在世界权威国际学术期刊《ACS Nano》上。该项研究在三星未来技术培育项目资助下完成。