Способ измерения температуры - RU2691766C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к нанотехнологиям и может быть использовано в области измерения локальных слабых температурных полей с микро- и наноразмерным разрешением в микроэлектронике, биотехнологиях, цитологии, биомедицине.

Обнаружение слабых температурных полей с высоким пространственным разрешением на уровне микро- и нанометров является важнейшей проблемой в различных областях, начиная от фундаментальной физики и материаловедения до хранения данных и биомедицинской науки. Датчик, способный измерять локальную температуру на уровне суб- долей Кельвина в большом диапазоне температур на расстояниях микро- и нанометров от источника нагревания найдет широкие приложения в химии и биологии, позволит получить принципиально новую информацию о процессах, приводящих к тепловыделению, например, при обмене энергии в интегральных схемах, в биологических системах, включая диагностику патологических образований.

После открытия излучающих свойств азотно-вакансионных центров (NV центров) в алмазе, позволяющих оптически регистрировать магнитный резонанс в основном состоянии этих центров при комнатной температуре вплоть до регистрации магнитного резонанса на одиночных центрах (см. A. Gruber, А. Drabenstedt, С. Tietz, L. Fleury, J. Wrachtrup, С. Von Borczyskowski. - Scanning Confocal Optical Microscopy and Magnetic Resonance on Single Defect Centers. - Science, V. 276, pp. 2012-2014, 1997; J. Wrachtrup, F. Jelezko. - Processing quantum information in diamond. - Journ. Phys.: Condens. Matter, V. 18, S807, 2006), появилась возможность создания квантовых сенсоров для измерения магнитных полей и температур с наноразмерным разрешением. Способ магнитометрии и термометрии со спиновыми NV центрами основан на оптическом детектировании магнитного резонанса (ОДМР).

Возможности регистрации температуры по спектрам ОДМР NV центров основаны на зависимости от температуры энергии расщепления тонкой структуры между спиновыми уровнями в нулевом магнитном поле для основного триплетного состояния, обозначаемое параметром D, МГц, что приводит к сдвигу частоты ОДМР (см. V.M. Acosta, Е. Bauch, М.Р. Ledbetter, et al., Phys. Rev. Lett., V. 104, 070801, 2010).

Известен способ измерения температуры (см. P. Neumann, I. Jakobi, F. Dolde, C. Burk, R. Reuter, G. Waldherr, J. Honert, T. Wolf, A. Brunner, J.H. Shim, D. Suter, H. Sumiya, J. Isoya, and J. Wrachtrup, High-Precision Nanoscale Temperature Sensing Using Single Defects in Diamond, Nano Lett., V. 13, 2738-2742, 2013), с пространственным разрешением в микро- и нанометровом диапазоне на основе оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) с применением NV центров в алмазах и наноалмазах. Способ включает следующую последовательность операций: излучение лазера фокусируют на активный материал - кристалл алмаза или наноалмаза с NV центрами в точке измерения локальной температуры; подают СВЧ излучение с энергией, близкой к величине расщепления тонкой структуры для NV центров (2,8 ГГц), которое взаимодействует со спиновой системой NV центров; регистрируют фотолюминесценцию NV центров; изменяют частоту СВЧ излучения и измеряют частоты, при которых наблюдается изменение интенсивности люминесценции NV центров, обусловленное магнитным резонансом на спиновых уровнях NV центров; измеряют частоту магнитного резонанса и определяют величину температуры по частоте магнитного резонанса в соответствии с известной величиной расщепления для данной температуры.

Недостатками известного способа является использование алмазов с NV центрами в качестве активного материала для измерения температуры, технология получения которого чрезвычайно дорогостоящая и относительно слабо развита. Кроме того, в способе используют оптический диапазон в видимой области, который плохо совмещается с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем. В известном способе необходимо использовать сравнительно мощное микроволновое излучение, что усложняет способ, создает дополнительные шумы и нагревает исследуемый объект. Расщепление тонкой структуры для NV центров в алмазе существенно зависит от напряжений в кристалле алмаза и локальных магнитных полей, что понижает точность измерений температуры и требует дополнительных усилий для исключения этих эффектов.

Известен способ измерения температуры (см. заявка РСТ WO 2013188732, МПК G01R 19/00, опубликована 14.06.2013), включающий воздействие оптического излучения на алмаз, содержащий NV центры, для выстраивания электронных спинов в определенном спиновом состоянии; воздействие СВЧ излучением на алмаз, содержащий NV центры, расщепление тонкой структуры которых зависит от температуры, таким образом, чтобы вызвать переходы между электронными спиновыми состояниями NV центров для конкретных значений частоты СВЧ излучения, которые зависят от температуры, и регистрацию интенсивности выходного оптического излучения, выходящего из алмаза, содержащего NV центры таким образом, чтобы определить температурный сдвиг параметров тонкой структуры и, следовательно, локальную температуру.

Недостатками известного способа является использование алмазов с NV центрами в качестве активного материала для измерения температуры, технология получения которого чрезвычайно дорогостоящая и относительно слабо развита. Кроме того, в способе используют оптический диапазон в видимой области, который плохо совмещается с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем. В известном способе необходимо использовать сравнительно мощное микроволновое излучение, что усложняет способ, создает дополнительные шумы и нагревает исследуемый объект.

Известен способ измерения температуры (см. заявка РСТ WO 2014165505, МПК G01K 7/32, опубликована 09.10.2014), включающий воздействие на алмаз, содержащий NV центры, оптическим излучением для выстраивания электронных спинов в определенном спиновом состоянии; воздействие непрерывным СВЧ излучением или импульсами СВЧ излучения таким образом, чтобы вызвать переходы между электронными спиновыми состояниями NV центров для конкретных значений частоты СВЧ излучения и регистрацию интенсивности выходящего из алмаза оптического излучения, чтобы определить температурный сдвиг параметров тонкой структуры и, следовательно, локальную температуру. В известном способе значение температуры может быть зарегистрировано в микро- и нанометровом масштабе с чувствительностью от 10 К до мК с использованием алмаза, содержащих 100-10000 NV центров.

Недостатками известного способа является использование дорогостоящих алмазов с NV центрами в качестве активного материала для измерения температуры, необходимость использования оптического диапазона в видимой области, который плохо совмещаемого с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем, а также необходимость использования сравнительно мощного микроволнового излучения, что создает дополнительные шумы и нагревает исследуемый объект.

Известен способ измерения температуры (см. заявка РСТ WO 2014210486, МПК С30В 29/04; G02B 3/00; H01S 3/14, опубликована 31.12.2014), включающий воздействие оптическими импульсами (с длиной волны 532 нм) и СВЧ излучением на монокристалл алмаза, содержащий NV центры, таким образом, чтобы вызвать переходы между электронными спиновыми состояниями NV центров для конкретных значений частоты СВЧ излучения, которые зависят от температуры, и регистрацию интенсивности выходного оптического излучения, выходящего из алмаза, содержащего NV центры таким образом, чтобы определить температуру.

Недостатками известного способа является использование алмазов с NV центрами в качестве активного материала для измерения температуры, технология получения которого относительно слабо развита. В способе используют оптический диапазон в видимой области, который плохо совмещается с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем. В известном способе используют сравнительно мощное микроволновое излучение, что усложняет способ, создает дополнительные шумы и нагревает исследуемый объект.

Недавно были обнаружены вакансионные спиновые центры в карбиде кремния (SiC) со свойствами, аналогичными NV центрам в алмазе - спиновые центры с основным и возбужденным квадруплетными спиновыми состояниями (см. Н. Kraus, V.A. Soltamov, F. Fuchs, D. Simin, A. Sperlich, P.G. Baranov, G.V. Astakhov, V. Dyakonov; Magnetic field and temperature sensing with atomic-scale spin defects in silicon carbide, NATURE Scientific Reports, 2014) и предложен способ измерения температуры, основанный на оптическом детектировании магнитного резонанса (ОДМР) на спиновых центрах с основным и возбужденным квадруплетным спиновыми состояниями в карбиде кремния. Спиновый центр представляет собой отрицательно заряженную вакансию кремния (V_Si) со спином S=3/2, взаимодействующую с нейтральной вакансией углерода (V_c), расположенной вдоль гексагональной кристаллографической оси (с-оси) относительно вакансии кремния и не имеющей молекулярной связи с вакансией кремния. При этом имеется семейство подобных структур, отличающихся политипом матрицы, положением вакансий кремния и углерода и их взаимным расположением. У центров с квадруплетным спиновым состоянием в карбиде кремния расщепление тонкой структуры в возбужденном состоянии сильно зависит от температуры. Способ включает предварительное построение экспериментальной градуировочной кривой зависимости величины частотных отклонений ОДМР сигнала спиновых центров с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, содержащихся в кристалле карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, от температуры путем воздействия на упомянутый кристалл карбида кремния при различной температуре оптическим излучением в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне (780-850 нм) и высокочастотным (ВЧ) магнитным полем с частотой магнитного резонанса. Для измерения температуры исследуемого образца его помещают на поверхность упомянутого кристалла карбида кремния, воздействуют на упомянутый кристалл карбида кремния оптическим излучением в ближнем ИК диапазоне (780-850 нм) и ВЧ магнитным полем с частотой магнитного резонанса. Сопоставляя полученное значение отклонения ОДМР сигнала кристалла карбида кремния с вышеупомянутыми спиновыми центрами со значениями на градуировочной кривой зависимости величины частотных отклонений ОДМР спиновых центров от температуры, получают значение температуры исследуемого образца.

В известном способе при оптическом возбуждении происходит выстраивание населенностей уровней спиновых центров, которое влияет на неравновесное заполнение спиновых уровней в основном и возбужденном состояниях, а при облучении кристалла перестраиваемым ВЧ излучением в момент магнитного резонанса меняется интенсивность ФЛ спиновых центров с основным и возбужденным квадруплетным спиновыми состояниями. По частоте ВЧ излучения, при которой происходит магнитный резонанс, можно судить о величине расщепления тонкой структуры D возбужденного состояния, величина которого зависит от температуры.

Недостатком известного способа измерения магнитного поля является необходимость использования ВЧ излучения, что усложняет осуществление способа, а также создает дополнительные ВЧ шумы и нагревает исследуемый объект, который помещается вплотную к кристаллу карбида кремния со спиновыми центрами с квадруплетным спиновым состоянием и в котором измеряется локальная температура в объеме, возбуждаемом оптически. Также необходимо использование дополнительного оборудования для создания ВЧ излучения и необходим подвод ВЧ излучения в точку измерения магнитного поля с помощью петли или катушки.

Известен способ измерения температуры (см. заявка US 20180090200, МПК В81В 03/00, G11C 07/22, G11C 11/16, G11C 11/44, G11C 13/04, опубликована 29.03.2018), включающий в себя: калибровку образца SiC, имеющего по меньшей мере один вакансионный дефект со спином 3/2, для измерения расщепления тонкой структуры в нулевом магнитном поле для основного состояния вакансионного дефекта и для того, чтобы создать спиновую поляризацию для упомянутых вакансионных дефектов, создав начальную населенность в состоянии с проекцией электронного спина в виде безразмерной величины M_S=±3/2; воздействие на кристалл (пленку) 4H-SiC первыми радиочастотными магнитными полями, причем первые радиочастотные магнитные поля становятся резонансными с переходами между, по меньшей мере, одним из M_S=±3/2 и спиновым состоянием M_S=±1/2 упомянутого вакансионного дефекта в основном состоянии, тогда как возбужденные состояния M_S=±3/2 и/или M_S=±1/2 создают первый сигнал фотолюминесценции (ФЛ) при их релаксации в основное состояние на первой резонансной частоте, сигнал ФЛ регистрируют фотодетектором и принимают равным энергии расщепления тонкой структуры в основном состоянии. Затем помещают образец SiC в среду, в которой температура должна быть измерена, выдерживают образец SiC в окружающей среде до тех пор, пока образец SiC не достигнет термодинамического равновесия с окружающей средой. Воздействуют на кристалл 4H-SiC вторым радиочастотным полем, генерирующем соответствующие сигналы ФЛ от релаксации спиновых состояний M_S=±3/2 и/или M_S=±1/2 к их соответствующим основным состояниям, сигналы ФЛ регистрируют фотодетектором, определяют вторую радиочастоту, которая соответствует абсолютному максимальному сигналу ФЛ, и по разности второй и первой радиочастот находят температуру пленки SiC.

Недостатком способа является необходимость применения радиочастотного поля, которое вносит дополнительные неконтролируемые источники для изменения температуры исследуемого материала.

Известен способ измерения температуры (см. патент RU 2617293, МПК G01K 11/00, B82Y 20/00, опубликован 24.04.2017), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип измерения температуры, включает предварительное построение экспериментальной градуировочной кривой зависимости величины магнитного поля в точке антипересечения уровней (АПУ) энергии спиновых центров с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, содержащихся в кристалле карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, от температуры путем воздействия на упомянутый кристалл карбида кремния при различной температуре сфокусированным лазерным излучением, переменным магнитным полем низкой частоты и различным по величине постоянным магнитным полем. При каждой температуре измеряют интенсивность ФЛ спиновых центров с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2. В области изменения интенсивности ФЛ снимают кривую зависимости изменения интенсивности ФЛ от величины постоянного магнитного поля. Находят величину магнитного поля по точке перегиба сигнала в виде производной, соответствующей АПУ энергии упомянутых спиновых центров в магнитном поле, соответствующем данной температуре. Затем помещают на поверхность упомянутого кристалла карбида кремния исследуемый образец. Измеряют интенсивность ФЛ спиновых центров с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 при различной величине постоянного магнитного поля. В области изменения интенсивности ФЛ снимают кривую зависимости изменения интенсивности ФЛ от величины постоянного магнитного поля. Определяют по точке АПУ энергии упомянутых спиновых центров величину магнитного поля, по которой с помощью экспериментальной градуировочной кривой определяют температуру в точке поверхности исследуемого образца, соответствующей точке фокуса лазерного излучения.

Значение величины В магнитного поля в точке перегиба кривой, в которой происходит антипересечение спиновых подуровней M_S=-3/2 и M_S=1/2 для спинового центра с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием, определяют из соотношения:

B=D(T)/γ;

где: В - значение постоянного магнитного поля в точке перегиба, мТл;

D(T) - параметр, характеризующий энергию расщепления тонкой структуры в аксиальном кристаллическом поле, МГц (ГГц); при этом для S=3/2 это расщепление равно 2D, а для S=1 это расщепление равно D в соответствие с решениями спинового Гамильтониана;

γ - гиромагнитное отношение в виде γ=g^⋅μ_В;

g=2,0028 - безразмерная величина, называемая g-фактором для электронного магнитного момента упомянутого спинового центра в карбиде кремния;

μ_В=9,2740.10^-24 - магнетон Бора, Дж/Тл;

Недостатком известного способа-прототипа является большая ширина линии АПУ в возбужденном квадруплетном состоянии, которая непосредственно связана с точностью определения положения линии АПУ в магнитном поле, то есть чувствительностью в определении точки перегиба в кривой АПУ, которая пропорциональна ширине линии в случае гауссовой формы линии АПУ, последующим определением температуры с помощью градуировочной кривой, что сказывается на чувствительности измерений температуры. Ширина линии АПУ в возбужденном состоянии определяется временем жизни возбужденного состояния, равного ~6 нс, что соответствует ширине линии ~53 МГц или ~1,9 мТл и, таким образом, упомянутая ширина линии АПУ не может быть меньше ~1,9 мТл.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка такого способа измерения температуры, который бы обладал достоинствами прототипа, но позволил бы уменьшить ширину новой линии в магнитном поле, используемой для определения температуры, как это осуществлялось с упомянутой линией АПУ, и, следовательно, повысить чувствительность измерений температуры. При этом зависимость положения новой линии от температуры должна быть, по крайней мере, не меньше, чем для упомянутой линии АПУ в возбужденном квадруплетном состоянии.

Поставленная задача решается тем, что способ измерения температуры включает предварительное построение экспериментальной градуировочной кривой зависимости величины магнитного поля в точке кросс-релаксации (КР) уровней энергии спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 и спиновых центров с триплетным спиновым состоянием S=1, содержащихся в кристалле карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, от температуры. Построение экспериментальной градуировочной кривой осуществляют путем воздействия на упомянутый кристалл карбида кремния, сфокусированным лазерным излучением, различным по величине постоянным магнитным полем и переменным магнитным полем низкой частоты. При каждой температуре измеряют интенсивность ФЛ спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2. В области изменения интенсивности люминесценции снимают кривую зависимости изменения интенсивности ФЛ от величины постоянного магнитного поля. Находят величину магнитного поля, соответствующую каждой температуре, по точке перегиба сигнала в виде производной, соответствующей КР уровней энергии упомянутых спиновых центров в магнитном поле. Затем помещают на поверхность упомянутого кристалла карбида кремния исследуемый образец. Воздействуют на них сфокусированным лазерным излучением, различным по величине постоянным магнитным полем, переменным магнитным полем низкой частоты. Измеряют интенсивность ФЛ спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 при различной величине постоянного магнитного поля. В области изменения интенсивности ФЛ снимают кривую зависимости изменения интенсивности ФЛ от величины постоянного магнитного поля. Определяют по точке КР уровней энергии спиновых центров величину магнитного поля, по которой с помощью экспериментальной градуировочной кривой определяют температуру в точке поверхности исследуемого образца, соответствующей точке фокуса лазерного излучения.

Новым в настоящем способе является использование, вместо физического явления АПУ энергии спиновых центров в возбужденном квадруплетном спиновом состоянии S=3/2, физического явления КР уровней энергии оптически активных спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 и оптически неактивных центров с триплетным спиновым состоянием S=1, характеризующихся сильной зависимостью энергии расщепления тонкой структуры от температуры, D(T), и содержащихся в кристалле карбида кремния гексагонального или ромбического политипа. Использование нового физического явления КР нашло отражение в следующих новых операциях способа: воздействуют переменным магнитным полем низкой частоты и постоянным магнитным полем на кристалл карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 и спиновые центры с триплетным спиновым состоянием S=1 (между которыми происходит процесс КР); снимают экспериментальную градуировочную кривую зависимости магнитного поля в точке КР уровней энергии спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 и спиновых центров с триплетным спиновым состоянием S=1 от температуры; при измерении температуры образца определяют величину магнитного поля по точке КР уровней энергии спиновых центров, соответствующую измеряемой температуре.

Возбуждение ФЛ спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, сфокусированным лазерным излучением, может быть осуществлено с использованием с использованием сканирующего конфокального оптического микроскопа или с использованием микроскопии на основе подавления спонтанного испускания.

Сфокусированным лазерным излучением, переменным магнитным полем низкой частоты и постоянным магнитным полем можно воздействовать на нанокристалл карбида кремния, содержащего по меньшей мере один спиновый центр с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 и находящиеся в непосредственной близости спиновые центры с триплетным спиновым состоянием S=1, между которыми происходит процесс КР. В этом случае нанокристалл карбида кремния может быть помещен на зонд атомно-силового микроскопа.

Градуировочная кривая может быть встроена в программное обеспечение, которое будет автоматически делать перерасчет из положения КР в магнитном поле в локальную температуру в месте возбуждения люминесценции. Если проводить измерение изменения ФЛ в разных точках карбида кремния (или сканировать карбид кремния в пространстве), то можно получить распределение температуры (температурную карту) по исследуемому объекту.

Настоящий способ измерения температуры с микронным и субмикронным разрешением основан на использовании физических процессов, приводящих к изменению интенсивности ФЛ спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, что проявляется в существовании точки перегиба на кривой зависимости изменения интенсивности ФЛ спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 от величины постоянного магнитного поля. Эта точка перегиба соответствует моменту КР уровней энергии в магнитном поле спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 и находящихся в непосредственной близости спиновых центров с триплетным спиновым состоянием S=1 в кристалле карбида кремния.

Спиновый гамильтониан для нахождения энергий спиновых уровней в магнитном поле имеет вид

Н=γB⋅S+D(T)[S_z² - 1/3S(S+1)];

где: γ - гиромагнитное отношение в виде γ=gμ_В;

g=2,0028 - безразмерная величина, называемая g-фактором для электронного магнитного момента упомянутых спиновых центров в карбиде кремния;

μ_В=9,2740.10^-24 - магнетон Бора, Дж/Тл;

где: В - внешнее магнитное поле, мТл;

S and S_z - безразмерные операторы электронного спина и проекции электронного спина на ось z; соответственно,

g=2,0028 - безразмерная величина, называемая g-фактором для электронного магнитного момента упомянутых спиновых центров в карбиде кремния;

Упомянутый спиновый Гамильтониан применим для обоих типов спиновых центров с S=3/2 и S=1, между которыми происходит КР, гиромагнитные отношения для этих спиновых центров совпадают.

Для спинового центра с S=3/2 энергии E(M_S) спиновых уровней для разных проекций спина M_S при ориентации магнитного поля параллельно кристаллической оси с (принятой за ось z) M_S=+3/2, M_S=3/2, M_S=+1/2 и M_S=-1/2. Разности энергий между этими уровнями имеют вид:

E(-3/2)-E(-1/2)=2D-γB;

E(3/2)-E(1/2)=2D+γB.

Приведены только разности энергий между уровнями, переходы между которыми приводят к изменению интенсивности ФЛ упомянутого спинового центра с квадруплетным спиновым состоянием S=3/2.

Для спинового центра с триплетным спиновым состоянием S=1 уровни энергии E(M_S) имеют вид для проекций M_S=+1, M_S=-1 и M_S=0:

E(+1)=γB+1/3D(T);

E(-1)=-γB+1/3D(T);

E(0)=-2/3D(T).

А разности энергий между упомянутыми уровнями:

E(+1)-E(0)=γB+D(T);

E(0)-E(-1)=γB-D(T).

Выражение D(T) подчеркивает зависимость параметра D, характеризующего энергию расщепления тонкой структуры, от температуры.

Чтобы найти магнитные поля В_КР, соответствующие КР, необходимо приравнять разности энергий для центров с S=3/2 и с S=1, в результате получаем выражение в виде абсолютной величины.

B_КP=|D(T)-2D(T)|/2γ;

Диапазон основного набора измерений температуры Т (180-300) К мы аппроксимируем линейной функцией:

В_КР=В₀-k^⋅Т;

где k - коэффициент линейной зависимости положения КР от температуры, Тл/К;

Для КР1 и КР2, самых интенсивных и узких получаем:

В_КР1=21,8 mT-0,017 mT/K^⋅Т;

В_КР2=23.8 mT-0.018 mT/K.Т.

Изменение положения линии КР в магнитном поле, ΔВ_КР, может быть преобразовано в изменение температуры по формуле ΔТ=-ΔВ_КР/k.

Настоящее техническое решение поясняется чертежами, представленными с целью иллюстрации, но не для ограничения, где:

на фиг. 1 приведена экспериментальная градуировочная кривая зависимости величины магнитного поля В_кр в точке КР от температуры в кристалле 15R-SiC;

Настоящий способ измерения температуры включает предварительное построение экспериментальной градуировочной кривой зависимости величины магнитного поля в точке КР уровней энергии спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 и спиновых центров с триплетным основным спиновым состоянием S=1, которые содержатся в кристалле карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, от температуры. Для этого на упомянутый кристалл карбида кремния воздействуют сфокусированным лазерным излучением, например, длиной волны 785 нм или 808 нм, переменным магнитным полем низкой частоты, например в интервале частот от десятков Гц до единиц кГц, амплитудой, например, (0,001-0,01) мТл и различным по величине постоянным магнитным полем. При каждой температуре измеряют интенсивность ФЛ спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2. В области изменения интенсивности ФЛ, например, в области 850-950 нм, снимают кривую зависимости изменения интенсивности ФЛ от величины постоянного магнитного поля для каждой температуре. Находят величину магнитного поля, соответствующую каждой температуре, по точке перегиба сигнала в виде производной, соответствующей КР уровней энергии упомянутых спиновых центров в магнитном поле. По полученным значениям величины магнитного поля и соответствующим значениям температуры строят экспериментальную градуировочную кривую зависимости величины магнитного поля от температуры (см. фиг 1). Затем помещают на поверхность упомянутого кристалла карбида кремния в виде пластины с плоскостью перпендикулярной оси с кристалла исследуемый образец с обеспечением плотного теплового контакта. Измеряют интенсивность ФЛ спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 при различной величине постоянного магнитного поля. В области изменения интенсивности люминесценции снимают кривую зависимости изменения интенсивности ФЛ от величины постоянного магнитного поля, и определяют по точке КР уровней энергии спиновых центров величину магнитного поля, по которой с помощью экспериментальной градуировочной кривой определяют температуру в точке поверхности исследуемого образца, соответствующей точке фокуса лазерного излучения.

Пример. 1. Описанным выше способом была определена температура образца в виде покровного стекла толщиной 180 мкм, помещенного на кристалл карбида кремния политипа 15R-SiC в виде пластины с плоскостью, перпендикулярной оси с, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 и спиновые центры с триплетным спиновым состоянием S=1. Температуру изменяли путем прокачки теплого воздуха в месте расположения образца. На кристалл карбида кремния фокусировали свет лазера с длиной волны 808 нм, размер пятна в диаметре составлял примерно 300 нм, с этой области регистрировали ФЛ спиновых центров на длинах волн 850-950 нм. Магнитное поле, соответствующее КР, находили по изменению ФЛ. Затем с помощью экспериментальной градуировочной кривой определяли температуру образца. Она оказалась равной 305 К, и после выключения потока теплого воздуха в течение 10 мин достигла температуры 300 К. Чувствительность измерения температуры составляла приблизительно 100 мК/Гц^1/2, что в 5 раз выше, по сравнению со способом-прототипом.

Пример 2. Описанным выше способом было определена температура образца в виде покровного стекла толщиной 180 мкм, помещенного на кристалл карбида кремния политипа 15R-SiC в виде пластины с плоскостью перпендикулярной оси с, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 и спиновые центры с триплетным спиновым состоянием S=1. Температуру изменяли путем помещения на образец капли эфира. На кристалл карбида кремния фокусировали свет лазера с длиной волны 808 нм, размер пятна в диаметре составлял примерно 300 нм, с этой области регистрировали ФЛ спиновых центров на длинах волн 850-950 нм. Магнитное поле, соответствующее КР, находили по изменению ФЛ. Затем с помощью экспериментальной градуировочной кривой определяли температуру образца. Она оказалась равной 295 К, и после испарения капли в течение 5 мин достигла температуры 300 К. Чувствительность измерения температуры составляла приблизительно 100 мК/Гц^1/2, что в 5 раз выше, по сравнению со способом-прототипом.

При выборе более чувствительных детекторов и оптимизации оптической схемы можно достичь чувствительность менее 10 мК/Гц^1/2 с разрешением ~300 нм, соответствующим размеру пятна сфокусированного лазера в конфокальном микроскопе.

Настоящий способ может быть использован для получения градиента температурного поля при пространственном перемещении возбуждаемого светом пятна в плоскости, перпендикулярной лазерному лучу. При этом могут быть достигнута высокая точность относительных измерений с использованием сигнала КР в виде производной, которую регистрируют с помощью синхронного детектирования при малой низкочастотной модуляции магнитного поля. В этом случае определяют ширину линии КР в магнитном поле и затем, при сдвиге температуры, линия КР сдвигается в магнитном поле, величина и знак сдвига регистрируют по изменению ФЛ в пределах ширины линии.

Вариант реализации настоящего способа измерения температурного поля заключается в использовании приповерхностного слоя кристалла карбида кремния, содержащего высокую концентрацию спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 и находящихся в непосредственной близости спиновых центров с триплетным спиновым состоянием S=1 и сильной зависимостью от температуры параметра D(T) в кристалле карбида кремния, между которыми происходит КР для измерения распределения локальных температур на субмикронном уровне, с возможным применением для получения изображений температурных полей и их градиентов молекулярной органической или биологической структуры, нанесенной на поверхности карбида кремния.

Вариант реализации настоящего способа измерения температурного поля заключается в использовании атомно-силового микроскопа или микроскопа ближнего поля. Нанокристалл карбида кремния, содержащего упомянутые спиновые центры, помещают на острие зонда атомно-силового микроскопа, далее зонд соприкасают с исследуемым образцом в виде, например, живой клетки или иной конденсированной системы, в определенных точках. В связи высокой теплопроводностью карбида кремния и сильной зависимостью положения линий КР от температуры практически во всем измеряемом температурном диапазоне 100-350 К температура в точке соприкосновения зонда с образцом может быть измерена.

Реферат

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано в области измерения локальных слабых температурных полей с микро- и наноразмерным разрешением в микроэлектронике, биотехнологиях и др. Предложен способ измерения температуры, включающий предварительное построение экспериментальной градуировочной кривой зависимости величины магнитного поля в точке кросс-релаксации (КР) уровней энергии спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 и спиновых центров с триплетным спиновым состоянием S=1, содержащихся в кристалле карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, от температуры. Построение экспериментальной градуировочной кривой осуществляют путем воздействия на упомянутый кристалл карбида кремния сфокусированным лазерным излучением, различным по величине постоянным магнитным полем, переменным магнитным полем низкой частоты. При этом при каждой температуре измеряют интенсивность фотолюминесценции (ФЛ) спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2. В области изменения интенсивности ФЛ снимают кривую зависимости изменения интенсивности ФЛ от величины постоянного магнитного поля и находят величину магнитного поля, соответствующую каждой температуре, по точке перегиба сигнала в виде производной, соответствующей КР уровней энергии упомянутых спиновых центров в магнитном поле. Затем помещают на поверхность упомянутого кристалла карбида кремния исследуемый образец. Измеряют интенсивность ФЛ спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 при различной величине постоянного магнитного поля. В области изменения интенсивности ФЛ снимают кривую зависимости изменения интенсивности ФЛ от величины постоянного магнитного поля. Определяют по точке КР уровней энергии спиновых центров величину магнитного поля, по которой с помощью экспериментальной градуировочной кривой определяют температуру в точке поверхности исследуемого образца, соответствующей точке фокуса лазерного излучения. Технический результат - повышение чувствительности измерений температуры. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула