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共振拉曼散射为高灵敏度温度探测提供了新途径

来自爱荷华州立大学、深圳大学和上海工程科技大学的热科学家们开发了一种基于两个共振拉曼散射峰强度比值的新型热探测技术。爱荷华州立大学王信伟教授团队在InternationalJournalofExtremeManufacturing发表系统研究证明,二维材料的两个共振拉曼峰强度之比可以作为高灵敏度温度的指标测量。这一新发展将显着拓宽传统的基于拉曼的温度测量(基于波数位移),同时显着提高测量灵敏度和稳健性。

基于拉曼的温度计已经使用了几十年,主要是通过跟踪波数偏移来测量温度。这使得拉曼测温具有非常独特的材料特定性质,从而可以实现非常特定的温度测量并探测亚纳米间距内的温降。

然而,拉曼波数会受到各种实验噪声和不确定性的影响,例如光学聚焦、材料内和跨界面的光学干涉。记录的最终测量灵敏度很低。虽然拉曼散射强度也随温度而变化,但它很少用于温度测量,因为很难控制所有的实验条件来很好地定义散射强度。

在共振拉曼散射(如WS2)中,由于带隙随温度的轻微变化,散射拉曼强度对温度非常敏感,单个拉曼峰的强度仍然难以用于温度测量。

通过使用支撑或悬浮的WS2纳米薄膜,爱荷华州立大学、深圳大学和上海工程科技大学的三个团队发现了WS2的两个拉曼峰(E2g和A1g),尽管它们每个都显示随着温度的不同变化趋势,它们的强度比令人惊讶地表现出非常普遍的行为,无论材料的物理尺寸,悬浮或支撑,纳米级或宏观尺寸。

该比率也显示出从177K到477K(>100倍)的巨大变化。这清楚地表明了它的温度测量能力。使用该比率作为指标,研究小组利用其能量传输状态分辨拉曼(ET-Raman)表征了悬浮WS2纳米薄膜的热扩散率和热导率。结果与基于拉曼波数的测量非常吻合。

团队负责人之一王新伟教授说:“这种共振拉曼比(R3)方法在三个方面优于经典的基于波数的温度测量。”

首先,由于使用了强度比,任何光学聚焦或光学干涉引起的强度偏移都会在该比值中自动消除。这将显着提高测量的稳健性。其次,对于许多基于波数的方法,在低温下,拉曼波数对温度变化变得不那么敏感,从而使测量不太可靠。

然而,R3方法在177K至477K范围内具有几乎通用的灵敏度。对于更低的温度,可以通过寻找合适的材料进行测量,这些材料的带隙变化会在较低温度下导致更大的强度变化。第三,这一发现将使WS2成为测量非拉曼活性材料温度的有前途的温度传感器。传感器的时间响应将非常快(

这对于极端制造中的温度监测非常有吸引力。

团队负责人之一,YangsuXie教授带领她的团队进行积极的研究,利用拉曼光谱研究纳米材料的热传输。她说:“R3方法真正为研究材料在光学或其他类型热负载下的热响应开辟了一条新途径。这将显着提高我们探索纳米级热传输物理的实验能力,这是使用其他技术难以探测的。"

“此外,R3方法仍然具有材料特定的特征,因此它可以实现非常明确的物理域的温度探测。我们对这项技术在极端制造中高分辨率温度监测中的应用前景感到兴奋。就像在微电子领域一样。”

尽管该工作仅报道了使用532nm激光诱导的共振拉曼散射进行R3测量,但可以选择其他波长的激光(例如633nm、488nm、785nm)进行共振拉曼散射,并使用匹配/接近带隙的材料。这可以扩展温度测量范围或将范围转移到设计水平。

这种高灵敏度使得可以采用R3方法来监测极端制造中材料的热响应,从而以非常高的空间分辨率(~nm)和时间响应来理解、控制和优化过程物理(

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