纳米级瞬态热测量技术的突破：电子显微镜中的纳秒级纳米热成像研究

作者及发表信息
本研究由法国巴黎萨克雷大学CNRS固体物理实验室的Luiz H. G. Tizei团队主导，合作者包括Florian Castioni、Yves Auad等，以及日本国立材料科学研究所（NIMS）Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi等国际学者。研究成果于2025年1月发表于《Nano Letters》（卷25，页1601-1608），标题为《Nanosecond Nanothermometry in an Electron Microscope》。

学术背景
随着纳米电子学、光子学和热电材料的发展，纳米尺度热传输管理成为关键科学问题。传统热测量技术（如热反射光谱、拉曼光谱）受限于光学衍射极限（空间分辨率约数百纳米），而扫描热显微镜（SThM）虽能实现数十纳米分辨率，却易受接触干扰。电子显微镜技术（如电子能量损失谱EELS）虽具备纳米级空间分辨率，但此前缺乏对瞬态非平衡热现象的纳秒级时间分辨能力。本研究旨在开发一种结合光子激发与电子探测的泵浦-探测（pump-probe）方法，实现纳米-纳秒双尺度温度动态成像，为纳米器件热管理提供新工具。

研究流程与方法
1. 技术原理设计
- 泵浦-探测系统：采用25纳秒脉宽的可见光激光（580-610 nm）作为泵浦源，在扫描透射电子显微镜（STEM）中同步触发局部加热；通过时间分辨单色化EELS（能量分辨率50 meV，时间分辨率1.5 ns）探测热响应。
- 关键创新：
- 事件驱动型探测器（Timepix3）：记录电子到达时间与激光脉冲的延迟，实现非脉冲电子源的纳秒级时间分辨。
- 多模态热标记物：利用不同材料的特征信号（声子、等离激元、激子）反推温度变化，覆盖红外至软X射线能段。

1. 实验对象与处理

   • 氮化硅（SiNx）薄膜：验证绝对温度测量。通过离轴EELS探测118 meV光学声子峰，基于细致平衡原理（PDB）计算温度（图2）。
     
   • 铝薄膜（20 nm厚）：利用等离激元能量膨胀热测量法（PEET），追踪15.22 eV等离激元峰的红移（0.08 eV）映射温度梯度（图3）。
     
   • 二维材料WS2单层：封装于六方氮化硼（hBN）中，通过激子A峰红移（0.5 meV/K）量化温度变化（图4）。
     

2. 数据分析与模型验证

   • 热扩散模型：建立二维无限大薄膜的热传导方程，仅以激光功率为可调参数拟合实验数据。铝薄膜结果与模拟高度吻合（图1c），证实方法的可靠性。
     

主要结果
1. SiNx薄膜的绝对温度测量
- 激光脉冲结束时温度达680±40 K，冷却过程分两阶段：前数百纳秒快速降温，后微秒级缓慢弛豫（图2b）。声子增益/损耗峰比与PDB理论一致，验证了方法的定量准确性。

1. 铝薄膜的时空热成像

   • 空间分辨率揭示激光焦点周围1.5 μm内50 K的温度梯度（图3b）。时间动态显示15 ns内热均匀化，400 ns恢复室温（图3c）。等离激元红移与Drude模型预测相符，证实自由电子密度随热膨胀的变化规律。
     

2. WS2单层的激子响应

   • 激子A峰红移对应220±50 K温升，B/C峰因热展宽消失（图4a）。hBN封装层的快速热扩散（热导率比WS2高1个量级）主导冷却过程（图4c）。
     

结论与价值
1. 科学意义
- 首次在STEM中实现纳米-纳秒双尺度热成像，突破了传统技术的时空分辨率限制。
- 通过多材料体系验证，证明方法可推广至半导体、金属、二维材料等广泛体系。

1. 应用前景
   
   • 纳米电子器件：精准定位热瓶颈，优化散热设计。
     
   • 热电材料：解析界面热阻与各向异性传输机制。
     
   • 光热转换：揭示低维材料中的非平衡热动力学。
     

研究亮点
1. 方法创新：
- 首创光子-电子协同泵浦探测架构，时间分辨率（1.5 ns）与空间分辨率（ nm）均达领域标杆。
- 开发基于Timepix3的事件驱动型EELS检测系统，无需脉冲电子源即可实现纳秒计时。

1. 跨材料普适性：

   • 声子（SiNx）、等离激元（Al）、激子（WS2）三模态测温，覆盖从红外到紫外能段。
     

2. 理论-实验闭环：

   • 热扩散模型与实验数据的高度一致性（图1c），为纳米热力学模拟提供了实验基准。
     

其他重要发现
- 激光诱导近场电子显微（PINEM）效应：在WS2中观测到电子束-激光近场耦合现象，为后续超快光谱研究指明方向。
- 技术可扩展性：通过调节激光波长（现有系统支持）、提升探测器精度，未来可向皮秒级时间分辨率推进。

本研究为纳米材料热物性研究树立了新范式，相关技术已获欧盟“地平线2020”计划及法国国家科研署（ANR）资助支持。