Optical Thermometry in Monolayer WS2: Raman and Photoluminescence Spectroscopy from 5 K to 1273 K

تخيل عالماً مكوناً من مواد رقيقة للغاية، حيث لا يتجاوز سمكها طبقة واحدة من الذرات. هذه هي البلورات ثنائية الأبعاد، وهي فئة من المادة تسلك سلوكاً مختلفاً عن الكتل الصلبة التي نلمسها كل يوم. ولأنها رقيقة جداً، فهي حساسة للغاية لمحيطها، وتتفاعل بقوة مع الحرارة والضوء والمواد التي تستقر عليها. ومن بين هذه المواد، برزت مادة تسمى "ثنائي كبريتيد التنغستن"، والتي تبدو كصفيحة لامعة من المعدن، لتصبح مفضلة لدى العلماء الذين يبنون أجهزة إلكترونية مستقبلية. ولفهم كيفية عمل هذه الصفائح المتناهية الصغر، يجب على الباحثين معرفة درجة حرارتها بدقة فائقة. ومع ذلك، فإن قياس حرارة شيء لا يتعدى سمكه بضع ذرات هو أمر يمثل مفارقة: فلا يمكنك وضع ميزان حرارة عليه دون أن تغطيه أو تغير سلوكه. لسنوات طويلة، استخدم العلماء الضوء لاستكشاف هذه المواد، ومراقبة كيف تتغير ألوانها أو اهتزازاتها مع ارتفاع درجة حرارتها. لكن هذه الحيل البصرية لم تعمل عادةً إلا ضمن نطاق ضيق من درجات الحرارة، حيث كانت تفشل عندما تصبح الأشياء باردة جداً أو ساخنة جداً.

لقد نجح فريق من الباحثين في فرنسا واليابان الآن في حل هذه المشكلة بالنسبة لثنائي كبريتيد التنغستن، حيث ابتكروا طريقة موثوقة لقياس درجة حرارته من البرودة القارسة للفضاء العميق إلى الحرارة اللاهبة للأفران. وقد أثبتوا أنه من خلال تسليط شعاع ليزر على طبقة واحدة من هذه المادة، يمكنهم قراءة درجة حرارتها ببساطة عبر تحليل الضوء الذي يرتد منها أو يتوهج خارجاً. وتعمل هذه الطريقة عبر نطاق هائل، من 5 كلفن، وهي درجة حرارة تزيد بضع درجات فقط عن الصفر المطلق، وصولاً إلى 1273 كلفن، وهي درجة حرارة قد تنصهر عندها معظم المواد أو تتحطم. ولم يكن مفتاح نجاحهم مجرد العثور على حيلة جديدة، بل إثبات أن طريقتين مختلفتين لقراءة الضوء — إحداهما تعتمد على كيفية اهتزاز الذرات والأخرى على كيفية توهج المادة — يمكنهما العمل معاً لتغطية الطيف الحراري بأكره.

بدأ الباحثون بتحضير عينتين من هذه المادة أحادية الطبقة. إحداهما تُركت عارية، مستقرة على غشاء خاص يمكن تسخينه بالكهرباء. أما الأخرى، فقد وُضعت في وضع "ساندوتش" بين طبقتين من مادة مختلفة تسمى "نيتريد البورون السداسي"، والتي تعمل كدرع واقٍ. ووضعوا هاتين العينتين داخل جهاز يمكنه تبريدهما إلى ما يقرب من الصفر المطلق ثم تسخينهما مرة أخرى، بينما يركز شعاع ليزر على نقطة صغيرة جداً من السطح. ومع تغيير درجة الحرارة، قاموا بتسجيل الضوء المنبعث من العينات. بالنسبة للعينة العارية، لم يتمكنوا إلا من قياس اهتزازات الذرات، المعروف باسم "تشتت رامان"، لأن ضوء الليزر المكثف كان سيؤدي بخلاف ذلك إلى تعطيل الحالات الإلكترونية الدقيقة اللازمة للتوهج. أما بالنسبة للعينة المحمية، فقد منعها الدرع من هذا التعطيل، مما سمح لهم بقياس كل من الاهتزازات والضوء المتوهج في وقت واحد.

كان الاكتشاف الأول هو أن اهتزازات الذرات في المادة العارية تغيرت في خط مستقيم تماماً مع ارتفاع درجة الحرارة من درجة حرارة الغرفة حتى 1223 كلفن. وتحديداً، انخفضت حدة نمط اهتزاز معين بشكل ثابت مع ارتفاع حرارة المادة. حدث هذا الانزياح بمعدل ثابت، مما سمح للباحثين باستخدامه كمسطرة لقياس درجة الحرارة. ووجدوا أن المادة العارية كانت أكثر حساسية للحرارة من المادة المحمية، وهو أمر منطقي لأن الطبقات الواقية في العينة الثانية تثبت الذرات في مكانها، مما يمنعها من التمدد بحرية. وكان هذا الاختلاف جوهرياً: إذ يعني أن قراءة درجة الحرارة المأخوذة من صفيحة عارية لا يمكن تطبيقها مباشرة على صفيحة محمية دون تعديل. وقد أثبت الباحثون أن هذه العلاقة الخطية ظلت قائمة عبر نطاق يزيد عن 900 درجة، وهو نطاق أوسع بكثير مما حققته أي دراسة سابقة لهذه المادة.

ركز الجزء الثاني من الدراسة على الضوء المتوهج، أو "اللمعان الضوئي"، والذي لم يكن بالإمكان رؤيته بوضوح إلا في العينة المحمية. عند درجات الحرارة المنخفضة جداً، تتوهج المادة بمزيخ معقد من الألوان، ولكن مع ارتفاع درجة حرارتها، تندمج هذه الألوان في خط ضوئي واحد ساطع. تتبع الباحثون الطاقة الدقيقة لهذا الضوء مع صعود درجة الحرارة من 5 كلفن إلى 1273 كلفن. ووجدوا أن الضوء ينزاح نحو الطرف الأحمر من الطيف في منحنى سلس ومتوقع يتوافق مع نموذج فيزيائي معروف يصف كيفية تأثير الحرارة على الفجوات الطاقية للذرات. وفر هذا التوهج طريقة ثانية ومستقلة لقياس درجة الحرارة. ففي درجات الحرارة المنخفضة، حيث كانت الاهتزازات دقيقة جداً بحيث يصعب قياسها بدقة، كان التوهج حاداً ودقيقاً. وفي درجات الحرارة المرتفعة، أصبح التوهج أكثر اتساعاً ويصعب تحديده، لكنه ظل قابلاً للقياس طوال الحد الأعلى لتجربتهم.

من خلال الجمع بين هاتين الطريقتين، أنشأ الفريق مجموعة أدوات كاملة لقياس الحرارة في هذه المادة. تعمل طريقة الاهتزاز بشكل أفضل عندما تكون الأشياء ساخنة، بينما تعتبر طريقة التوهج ممتازة للأجواء الباردة والمتوسطة. ومعاً، تغطيان النطاق بأكمله من 5 إلى 1273 كلفن. كما اكتشف الباحثون أن الطبقات الواقية فعلت أكثر من مجرد السماح لهم برؤية التوهج؛ فقد ساعدت المادة فعلياً على الصمود في درجات الحرارة المرتفعة. بدأت العينة العارية في التفكك وفقدان إشارتها عند حوالي 1223 كلفن، ويرجح أن ذلك بسبب بدء تبخر ذرات الكبريت. ومع ذلك، ظلت العينة المحمية سليمة وقابلة للقياس حتى 1273 كلفن، مما يشير إلى أن الدرع لم يحسن جودة البيانات فحسب، بل أطال أيضاً عمر المادة تحت الحرارة الشديدة.

هذا العمل مهم لأنه يزيل عقبة رئيسية أمام تطوير الأجهزة النانوية المستقبلية. فالمهندسون الذين يصممون دوائر باستخدام هذه المواد فائقة الرقة يحتاجون إلى معرفة درجة حرارتها بدقة لمنع التلف أو الخلل الوظيفي. وقبل هذه الدراسة، لم تكن هناك طريقة موثوقة للتحقق من درجة حرارة طبقة واحدة من المادة عبر نطاق واسع دون لمسها. والآن، يمكن للعلماء ببساطة تسليط الليزر وقراءة النتيجة، سواء كانوا يدرسون المادة في مختبر للدرجات المتدنية جداً أو في فرن عالي الحرارة. وتؤكد الدراسة أن هذه الإشارات البصرية قوية ويمكن التنبؤ بها، مما يوفر ميزان حرارة يعمل دون تلامس، من أبرد أعماق الفضاء إلى أكثر العمليات الصناعية حرارة. وقد تم تحديد الحد الأعلى عند 1273 كلفن بناءً على المعدات المستخدمة في التجربة وليس بناءً على المادة نفسها، إلا أن النتائج تشير إلى أنه مع الحماية المناسبة، يمكن لهذه المواد أن تتحمل ظروفاً أكثر تطرفاً، مما يفتح الباب أمام تطبيقات جديدة في الإلكترونيات والمستشعرات عالية الحرارة.