用电子显微镜“摇摆扫描”测出纳米级温度分布

本文报道了一种基于扫描进动电子衍射（scanning precession electron diffraction, PED）的纳米级温度成像新技术。传统测温手段（如热电偶、拉曼光谱、红外成像）受限于空间分辨率（通常为数百纳米至微米级），难以满足当前纳米器件（尤其是异质界面）对局部热行为精细表征的需求。本研究另辟蹊径：利用透射电子显微镜（TEM）中高度会聚的纳米级电子束（直径约1.4纳米），结合进动扫描模式采集四维衍射数据（4D-STEM），从而在每个纳米采样点获取高质量的衍射图样。核心原理是——原子因受热而发生的无序振动会削弱衍射强度，这一效应由‘德拜-沃勒因子’（Debye-Waller factor, DWF）定量描述，且DWF与温度呈严格的线性关系。研究人员针对石墨烯这一典型二维材料，系统解决了三大关键挑战：一是通过理论计算结构因子，构建了适用于不同晶面和样品厚度的校正因子（L），将原本非线性的‘威尔逊图’（Wilson plot）修正为高精度直线拟合，从而准确提取DWF；二是首次建立了基于衍射斑不对称性的局域倾角定量映射方法，有效消除样品表面褶皱和弯曲带来的假信号，显著提升温度测量保真度；三是深入分析了晶格热膨胀和层数变化对DWF的影响，证实DWF对温度的响应灵敏度（约0.057%/°C）远高于晶格参数变化（仅约0.00013%/°C），且多层石墨烯中层间范德华力会抑制垂直方向振动、增强面内振动，导致DWF随层数增加而显著升高（双层为单层的2.2倍，多层达6.2倍）。实验证明，该方法可在室温至950°C宽温区内实现近1纳米空间分辨率的温度分布成像，不仅能精准反映真实温度梯度（例如显示石墨烯边缘温度高于中心），还能同步揭示材料的原子振动特性。该技术不依赖样品导电性或光学性质，兼容异质界面原位观测，为纳米电子、热电材料及二维器件的热设计与失效分析提供了全新、可靠的工具。