环境条件下的超灵敏纳米温度计

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环境条件下的超灵敏纳米温度计

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高灵敏度的纳米级温度测量对于研究纳米/微电子学中的热耗散、纳升体积中的化学反应、纳米粒子的热等离子体以及实时系统中的热过程等许多现象非常重要。纳米测温方案很多,包括基于SQUID的纳米测温、扫描热显微镜和基于稀土纳米粒子、染料或蛋白质的荧光测温。然而,这些技术受到各种因素的限制,例如与接触相关的伪影、荧光不稳定性、低灵敏度或极端工作条件。

最近开发的基于钻石的温度计提供了一个有前途的选择。金刚石中氮空位中心的自旋共振频率随着环境温度的变化而变化。由于NV中心的光稳定性和金刚石材料的生物相容性和高热导率,金刚石基温度计被用于微电子和实时系统中的热过程监测。然而,金刚石基温度计的灵敏度受到NV自旋共振频率相对较小的温度依赖性的限制。于是出现了混合钻石温度计的想法,将环境中的温度变化转化为磁信号,由NV中心自旋检测出来。

在北京《国家科学评论》发表的一项新研究中,中国香港的香港中文大学和德国斯图加特的斯图加特大学的科学家构建了一种超灵敏的混合纳米温度计。混合纳米温度计由金刚石纳米柱中的单个NV中心和单个铜镍合金纳米粒子组成。通过基于原子力显微镜的纳米操作将磁性纳米粒子放置在金刚石纳米柱附近。磁性纳米粒子的居里温度附近,微小的温度变化会因临界磁化而导致较大的磁场变化。然后由NV中心测量温度敏感磁信号。新开发的混合纳米温度计在一秒钟内的温度灵敏度高达76微开尔文。

使用这种混合传感器,科学家们监控了由激光加热过程和环境温度波动引起的温度变化。此外,他们通过额外加热通过导线的电流来测量传感器附近的散热。超灵敏混合纳米温度计特别适合测量毫开尔文量级的温度变化,具有很高的时间分辨率。新的传感器可以促进广泛的热过程,如纳米尺度的化学反应、纳米等离子体、纳米/微电子学中的散热和单细胞中的热过程。

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