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

Stel je een wereld voor gemaakt van materialen die zo dun zijn dat ze slechts een enkele laag atomen dik zijn. Dit zijn tweedimensionale kristallen, een klasse materie die zich anders gedraagt dan de vaste blokken waar we dagelijks de dingen aanraken. Omdat ze zo dun zijn, zijn ze ongelooflijk gevoelig voor hun omgeving en reageren ze sterk op hitte, licht en de materialen waarop ze rusten. Onder deze materialen heeft een materiaal genaamd wolfraamdisulfide, dat eruitziet als een glinsterende metalen plaat, een favoriet geworden voor wetenschappers die toekomstige elektronische apparaten bouwen. Om te begrijpen hoe deze minuscule velden werken, moeten onderzoekers hun temperatuur met grote precisie kennen. Het meten van de hitte van iets dat slechts enkele atomen dik is, is echter een paradox: je kunt er geen thermometer op plakken zonder het af te dekken of het gedrag ervan te veranderen. Jarenlang hebben wetenschappers licht gebruikt om in deze materialen te kijken, waarbij ze observeerden hoe hun kleuren of trillingen veranderden naarmate ze opwarmden. Maar deze optische trucjes werkten meestal alleen binnen een nauw temperatuurbereik, en faalden wanneer het te koud of te heet werd.

Een team van onderzoekers in Frankrijk en Japan heeft dit probleem voor wolfraamdisulfide nu opgelost, door een betrouwbare manier te creëren om de temperatuur van dit materiaal te meten, van de ijzige kou van de diepe ruimte tot de verzengende hitte van een oven. Ze toonden aan dat door een laser op een enkele laag van dit materiaal te schijnen, ze de temperatuur konden aflezen door simpelweg het licht te analyseren dat terugkaatst of uitstraalt. Deze methode werkt over een enorme reikwijdte, van 5 Kelvin, wat slechts enkele graden boven het absolute nulpunt is, tot 1273 Kelvin, een temperatuur waarbij de meeste materialen zouden smelten of kapot zouden gaan. De sleutel tot hun succes was niet alleen het vinden van een nieuwe truc, maar het bewijzen dat twee verschillende manieren om het licht te lezen — één gebaseerd op hoe de atomen trillen en een andere op hoe het materiaal gloeit — samen konden werken om het volledige spectrum van hitte te bestrijken.

De onderzoekers begonnen met het voorbereiden van twee monsters van dit enkelvoudige materiaal. Eén monster werd onbedekt gelaten, liggend op een speciale membraan die met elektriciteit kon worden verwarmd. Het andere monster werd tussen twee lagen van een ander materiaal genaamd hexagonaal boornitride geplaatst, wat fungeert als een beschermend schild. Ze plaatsten deze monsters in een machine die ze kon afkoelen tot nabij het absolute nulpunt en ze vervolgens weer kon opwarmen, terwijl een laserstraal op een minuscuul punt op het oppervlak werd gericht. Terwijl ze de temperatuur veranderden, registreerden ze het licht dat van de monsters kwam. Voor het onbedekte monster konden ze alleen de trillingen van de atomen meten, bekend als Raman-verstrooiing, omdat het intense laserlicht anders de delicate elektronische toestanden zou verstoren die nodig zijn voor het gloeien. Voor het beschermde monster voorkwam het schild deze verstoring, waardoor ze zowel de trillingen als het gloeiende licht tegelijkertijd konden meten.

De eerste ontdekking was dat de trillingen van de atomen in het onbedekte materiaal in een perfect rechte lijn veranderden naarmate de temperatuur steeg van kamertemperatuur tot 1223 Kelvin. Specifiek veranderde een specifieke trillingsmodus in toonhoogte gestaag naar beneden naarmate het materiaal heter werd. Deze verschuiving gebeurde met een constante snelheid, waardoor de onderzoekers het als een liniaal voor temperatuur konden gebruiken. Ze ontdekten dat het onbedekte materiaal iets gevoeliger was voor hitte dan het beschermde exemplaar, wat logisch is omdat de beschermende lagen in het tweede monster de atomen op hun plaats hielden, waardoor ze minder vrij konden uitzetten. Dit verschil was cruciaal: het betekende dat een temperatuurmeting van een onbedekt vel niet direct toegepast kon worden op een beschermd vel zonder aanpassing. De onderzoekers stelden vast dat deze lineaire relatie standhield over een bereik van meer dan 900 graden, veel breder dan wat in eerdere studies voor dit materiaal was bereikt.

Het tweede deel van de studie richtte zich op het gloeiende licht, of fotoluminescentie, dat alleen duidelijk zichtbaar was in het beschermde monster. Bij zeer lage temperaturen geeft het materiaal een complexe mix van kleuren af, maar naarmate het opwarmt, versmelten deze kleuren tot één enkele, heldere lijn van licht. De onderzoekers volgden de exacte energie van dit licht terwijl de temperatuur steeg van 5 Kelvin tot 1273 Kelvin. Ze vonden dat het licht naar de rode kant van het spectrum verschoof in een vloeiende, voorspelbare curve die overeenkwam met een bekend fysisch model dat beschrijft hoe hitte de energiekloven in atomen beïnvloedt. Deze gloed bood een tweede, onafhankelijke manier om de temperatuur te meten. Bij lagere temperaturen, waar de trillingen te subtiel waren om nauwkeurig te meten, was de gloed scherp en precies. Bij hogere temperaturen werd de gloed breder en moeilijker te bepalen, maar bleef deze meetbaar tot aan de bovenste limiet van hun experiment.

Door deze twee methoden te combineren, creëerde het team een complete gereedschapskist voor het meten van hitte in dit materiaal. De trillingsmethode werkt het best wanneer het heet is, terwijl de gloeimethode uitstekend is voor de koude en het middenbereik. Samen dekken ze het hele spectrum van 5 tot 1273 Kelvin. De onderzoekers ontdekten ook dat de beschermende lagen meer deden dan alleen hen in staat stellen de gloed te zien; ze hielpen het materiaal ook om hogere temperaturen te overleven. Het onbedekte monster begon rond 1223 Kelvin uit elkaar te vallen en zijn signaal te verliezen, waarschijnlijk omdat de zwavelatomen begonnen te verdampen. Het beschermde monster bleef echter intact en meetbaar zelfs bij 1273 Kelvin, wat suggereert dat het schild niet alleen de kwaliteit van de gegevens verbeterde, maar ook de levensduur van het materiaal onder extreme hitte verlengde.

Dit werk is belangrijk omdat het een grote hindernis wegneemt in de ontwikkeling van toekomstige nanodevisen. Ingenieurs die circuits ontwerpen met deze ultradunne materialen moeten precies weten hoe warm ze worden om schade of defecten te voorkomen. Vóór deze studie was er geen betrouwbare manier om de temperatuur van een enkele laag materiaal over een zo breed bereik te controleren zonder het aan te raken. Nu kunnen wetenschappers simpelweg een laser gebruiken en het resultaat aflezen, of ze het materiaal nu bestuderen in een cryogene kamer of in een hete industriële oven. De studie bevestigt dat deze optische signalen robuust en voorspelbaar zijn, wat een contactloze thermometer biedt die werkt van de koudste diepten van de ruimte tot de heetste industriële processen. De bovengrens van 1273 Kelvin werd bepaald door de apparatuur die in het experiment werd gebruikt en niet door het materiaal zelf, maar de resultaten suggereren dat deze materialen, met de juiste bescherming, zelfs extremere omstandigheden kunnen weerstaan, wat de deur opent naar nieuwe toepassingen in hoogtemperatuur-elektronica en sensoren.