Ученые КФУ разработали новый метод определения температуры микросистем

Сотрудники Института физики и Института экологии, биотехнологии и природопользования Казанского федерального университета разработали методику, которая позволяет проводить измерения температуры очень маленьких объектов размером в несколько микрометров, например, транзисторов и иных малых устройств в современных микросхемах, что важно для мониторинга их стабильности, а также биологических объектов, например, клеток эукариот.

Традиционные методы с использованием ртутных термометров или термопар неэффективны для измерения температур сверхмалых объектов. Информацию о температуре в локальной области может дать сигнал люминесценции наночастиц, размер которых намного меньше исследуемого объекта.

«Люминесцентная термометрия — это новый метод детектирования термодинамических параметров микросистем, что актуально для современной микроэлектроники, космической промышленности, биомедицины и тераностики», — рассказал один из участников исследования, старший научный сотрудник НИЛ магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники им. С.А. Альтшулера Института физики КФУ Максим Пудовкин.

Работа ученых КФУ посвящена синтезу и исследованию неорганических люминофоров состава CeF₃-YF₃-TbF₃ для люминесцентной термометрии, а также поиску путей повышения температурной чувствительности спектрально-кинетических характеристик данных люминофоров. В основе этой чувствительности параметров люминесценции неорганических люминофоров лежит широкий ряд физических процессов, включая известное явление расширения твердых тел при нагревании.

«В нашей области материаловедения основной механизм заключается в наличии ионов-активаторов в неорганической матрице. Соотношение между населенностями электронных уровней иона в некоторых случаях зависит от температуры, и именно это соотношение во многом определяет спектральные характеристики люминофора», — подчеркнул Максим Пудовкин.

Ученый отметил, что в данном случае механизм такой чувствительности еще сложнее, он включает в себя обмен энергией между ионами-активаторами, температурное тушение люминесценции, многофононные процессы и процессы кросс-релаксации. Ученые КФУ выявили, что существует возможность управлять вкладом каждого процесса за счет изменения концентрации иона акцептора. Таким образом можно определить оптимальную концентрацию ионов для оптимизации характеристик.

«Полученные люминофоры имеют размер около 19 нанометров и высокие значения температурной чувствительности в диапазоне от 0 до 200 градусов Цельсия, что делает их очень перспективными для мониторинга температуры микроустройств. Также за счет эффективной передачи энергии от ионов церия к ионам тербия, полученные материалы могут быть применены для биовизуализации и фотодинамической терапии в присутствии терапевтических доз ионизирующего излучения», – отметил ученый.

В дальнейшем научная группа Казанского университета планирует исследование ионной пары Ce³⁺ и Tb³⁺ в неорганических матрицах с другими свойствами и симметрией кристаллической решетки. Также на основе полученных данных начата работа по созданию математической модели, описывающий физические процессы в твердом теле, что важно для поиска новых материалов и предсказывания их свойств.