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

Immaginate un mondo fatto di materiali così sottili da essere composti da un unico strato di atomi. Questi sono cristalli bidimensionali, una classe di materia che si comporta diversamente dai blocchi solidi che tocchiamo ogni giorno. Poiché sono così sottili, sono incredibilmente sensibili al loro ambiente, reagendo fortemente al calore, alla luce e ai materiali su cui poggiano. Tra questi, un materiale chiamato disolfuro di tungsteno, che appare come un foglio scintillante di metallo, è diventato un preferito per gli scienziati che costruiscono futuri dispositivi elettronici. Per comprendere come funzionano questi minuscoli fogli, i ricercatori devono conoscere la loro temperatura con grande precisione. Tuttavia, misurare il calore di qualcosa che è spesso solo pochi atomi è un paradosso: non si può infilare un termometro sopra di esso senza coprirlo o alterarne il comportamento. Per anni, gli scienziati hanno usato la luce per scrutare l'interno di questi materiali, osservando come i loro colori o le loro vibrazioni cambiano mentre si riscaldano. Ma questi trucchi ottici hanno solitamente funzionato solo entro un intervallo di temperature ristretto, fallendo quando le cose diventavano troppo fredde o troppo calde.

Un team di ricercatori in Francia e Giappone ha ora risolto questo problema per il disolfuro di tungsteno, creando un modo affidabile per misurare la sua temperatura dal freddo gelido dello spazio profondo fino al calore rovente di un forno. Hanno dimostrato che, illuminando un singolo strato di questo materiale con un laser, era possibile leggere la sua temperatura semplicemente analizzando la luce che rimbalza o che emana un bagliore. Questo metodo funziona attraverso un intervallo enorme, da 5 Kelvin, che è solo pochi gradi sopra lo zero assoluto, fino a 1273 Kelvin, una temperatura in cui la maggior parte dei materiali si scioglierebbe o si romperebbe. La chiave del loro successo non è stata solo l'individuazione di un nuovo trucco, ma la prova che due diversi modi di leggere la luce — uno basato su come gli atomi vibrano e un altro su come il materiale brilla — potessero lavorare insieme per coprire l'intero spettro del calore.

I ricercatori hanno iniziato preparando due campioni di questo materiale a singolo strato. Uno è stato lasciato nudo, appoggiato su una membrana speciale che poteva essere riscaldata elettricamente. L'altro è stato "a sandwich" tra due strati di un materiale diverso chiamato nitruro di boro esagonale, che funge da scudo protettivo. Hanno posizionato questi campioni all'interno di una macchina che poteva raffreddarli fino a vicino allo zero assoluto e poi riscaldarli di nuovo, il tutto mentre un raggio laser si concentrava su un minuscolo punto della superficie. Mentre cambiavano la temperatura, registravano la luce proveniente dai campioni. Per il campione nudo, potevano misurare solo le vibrazioni degli atomi, note come scattering Raman, perché l'intensa luce del laser avrebbe altrimenti disturbato gli stati elettronici delicati necessari per l'emissione di luce. Per il campione protetto, lo scudo impediva questo disturbo, permettendo loro di misurare simultaneamente sia le vibrazioni che la luce emessa.

La prima scoperta è stata che le vibrazioni degli atomi nel materiale nudo cambiavano in una linea perfettamente retta mentre la temperatura saliva fino a 1223 Kelvin. Nello specifico, un particolare modo di vibrazione diminuiva il suo tono in modo costante man mano che il materiale si scaldava. Questo spostamento avveniva a un ritmo costante, permettendo ai ricercatori di usarlo come un righello per la temperatura. Hanno scoperto che il materiale nudo era leggermente più sensibile al calore rispetto a quello protetto, il che ha senso perché gli strati protettivi nel secondo campione tenevano gli atomi in posizione, impedendo loro di espandersi liberamente. Questa differenza era cruciale: significava che una lettura della temperatura presa da un foglio nudo non poteva essere applicata direttamente a un foglio protetto senza aggiustamenti. I ricercatori hanno stabilito che questa relazione lineare rimaneva vera su un intervallo di oltre 900 gradi, molto più ampio di quanto qualsiasi studio precedente fosse riuscito a gestire per questo materiale.

La seconda parte dello studio si è concentrata sulla luce emessa, o fotoluminescenza, che poteva essere vista chiaramente solo nel campione protetto. A temperature molto basse, il materiale brilla con una miscela complessa di colori, ma man mano che si scalda, questi colori si fondono in una singola, luminosa linea di luce. I ricercatori hanno tracciato l'energia esatta di questa luce mentre la temperatura saliva da 5 Kelvin a 1273 Kelvin. Hanno scoperto che la luce si spostava verso la parte rossa dello spettro in una curva fluida e prevedibile che corrispondeva a un noto modello fisico descrivente come il calore influenzi i gap energetici degli atomi. Questo bagliore forniva un secondo modo indipendente per misurare la temperatura. Alle temperature più basse, dove le vibrazioni erano troppo sottili per essere misurate accuratamente, il bagliore era nitido e preciso. Alle temperature più alte, il bagore diventava più ampio e difficile da individuare, ma rimaneva misurabile fino al limite superiore del loro esperimento.

Combinando questi due metodi, il team ha creato un kit di strumenti completo per misurare il calore in questo materiale. Il metodo delle vibrazioni funziona meglio quando le cose sono calde, mentre il metodo del bagliore è eccellente per il freddo e l'intervallo intermedio. Insieme, coprono l'intero spettro da 5 a 1273 Kelvin. I ricercatori hanno anche scoperto che gli strati protettivi facevano di più del semplice permettere loro di vedere il bagliore; essi aiutavano effettivamente il materiale a sopravvivere a temperature più elevate. Il campione nudo iniziava a sfaldarsi e a perdere il segnale intorno a 1223 Kelvin, probabilmente perché gli atomi di zolfo iniziavano a evaporare. Il campione protetto, invece, rimaneva intatto e misurabile anche a 1273 Kelvin, suggerendo che lo scudo non solo migliorava la qualità dei dati, ma estendeva anche la vita del materiale sotto calore estremo.

Questo lavoro è importante perché rimuove un grande ostacolo nello sviluppo di futuri nanodispositivi. Gli ingegneri che progettano circuiti con questi materiali ultra-sottili devono sapere esattamente quanto si stanno scaldando per prevenire danni o malfunzionamenti. Prima di questo studio, non esisteva un modo affidabile per controllare la temperatura di un singolo strato di materiale attraverso un intervallo così ampio senza toccarlo. Ora, gli scienziati possono semplicemente far brillare un laser e leggere il risultato, sia che stiano studiando il materiale in un laboratorio criogenico, sia in un forno ad alta temperatura. Lo studio conferma che questi segnali ottici sono robusti e prevedibili, offrendo un termometro senza contatto che funziona dalle profondità più fredde dello spazio fino ai processi industriali più caldi. Il limite superiore di 1273 Kelvin è stato stabilito dall'attrezzatura utilizzata nell'esperimento piuttosto che dal materiale stesso, ma i risultati suggeriscono che, con la giusta protezione, questi materiali potrebbero resistere a condizioni ancora più estreme, aprendo la porta a nuove applicazioni nell'elettronica ad alta temperatura e nei sensori.