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研究作者与机构
本研究由Yongliang Chen、Chi Li、Tieshan Yang、Evgeny A. Ekimov、Carlo Bradac、Son Tung Ha、Milos Toth、Igor Aharonovich和Toan Trong Tran共同完成。研究团队来自多个机构，包括University of Technology Sydney、Institute for High Pressure Physics of the Russian Academy of Sciences、Trent University、Institute of Materials Research and Engineering (A*STAR)等。该研究于2023年1月20日发表在期刊ACS Nano上。
学术背景
纳米尺度温度测量（nanoscale thermometry）在医学、纳米光学和固态纳米器件等领域具有重要应用价值。随着电子器件尺寸的不断缩小，热管理成为关键问题，尤其是在纳米尺度下，热传输行为与宏观尺度大不相同，容易出现局部热点（hot spots），导致器件性能下降甚至失效。因此，开发高灵敏度、高分辨率的纳米温度测量技术至关重要。本研究旨在提出一种基于纳米钻石（nanodiamonds）的实时比率光学纳米温度测量技术，以解决现有方法的局限性。
研究流程
1. 纳米钻石的制备与表征
研究团队采用高压高温（HPHT）生长技术合成了共掺杂硅空位（SiV）和锗空位（GeV）色心的纳米钻石。具体步骤包括将金刚烷（adamantane）、四苯基锗（tetraphenylgermane）和四苯基硅（tetraphenylsilane）混合，压制成颗粒后放入钛胶囊中，在1800-2000°C和8-9 GPa的条件下反应，最终冷却至室温。合成的纳米钻石通过扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱进行表征，确认其高质量和尺寸分布。
光学实验装置搭建
研究团队构建了一套共聚焦显微镜系统，用于激发和检测纳米钻石的荧光信号。实验中采用637 nm激光同时激发SiV和GeV色心，分别产生斯托克斯（Stokes）和反斯托克斯（anti-Stokes）荧光信号。荧光信号通过滤波器和雪崩光电二极管（APD）进行分离和检测，实现实时比率测量。
温度校准与性能测试
通过改变温度（295.5 K至388 K），研究团队测量了GeV/SiV荧光强度比与温度的关系，并建立了校准曲线。结果显示，该技术的灵敏度为1.8% K⁻¹，温度分辨率达到0.39 K Hz⁻¹/²，且在不同温度下表现出良好的稳定性和重复性。
实际应用验证
研究团队将该技术应用于微电路和MoTe₂场效应晶体管（FET）的温度监测。在微电路中，通过阵列化纳米钻石实现了局部热点的像素级热成像。在MoTe₂ FET中，实时监测了器件在不同电压下的温度变化，验证了该技术在纳米电子器件中的应用潜力。
主要结果
1. 纳米钻石的荧光特性
实验结果表明，SiV和GeV色心的荧光强度比随温度变化显著，且符合阿伦尼乌斯（Arrhenius）型指数关系。这种特性使得该技术能够实现高灵敏度的温度测量。
温度测量性能
该技术的温度分辨率和灵敏度均优于现有的全光学纳米温度测量方法。特别是其温度分辨率相对于功率密度的指标（5.8 × 10⁴ K Hz⁻¹/² W cm⁻²）比次优方法提高了30倍。
实际应用效果
在微电路和MoTe₂ FET的实验中，该技术成功实现了局部温度的实时监测和热成像，验证了其在复杂纳米器件中的适用性。
结论与意义
本研究提出了一种基于纳米钻石的实时比率光学纳米温度测量技术，具有高灵敏度、高分辨率和广泛的应用潜力。该技术不仅能够用于纳米电子器件的温度监测，还可应用于微流控通道、纳米光子器件以及生物组织等复杂环境。其科学价值在于提供了一种全新的温度测量策略，解决了现有方法的局限性；其应用价值在于为纳米器件的热管理提供了强有力的工具。
研究亮点
1. 高灵敏度与分辨率
该技术的灵敏度和分辨率均达到当前最高水平，特别是在低功率密度下表现出色，适用于对光敏感的生物样品和纳米材料。
创新性实验方法
研究团队开发了基于单激光激发的双色心荧光比率测量方法，避免了传统方法中需要多激光激发的复杂性。
广泛的应用场景
该技术不仅适用于纳米电子器件，还可扩展到生物医学领域，为细胞代谢研究和靶向治疗提供了新的可能性。
其他有价值的内容
研究团队还探讨了该技术在多层二维材料（如MoTe₂）中的应用，揭示了其在未来高性能电子器件中的潜力。此外，研究还提供了详细的实验数据和理论分析，为后续研究提供了重要参考。
这篇研究通过创新的实验方法和广泛的应用验证，为纳米尺度温度测量领域提供了重要的技术突破，具有深远的科学和工程意义。