Real-Time Ratiometric Optical Nanoscale Thermometry

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作者
Yongliang Chen,Chi Li,Tieshan Yang,Е. А. Екимов,Carlo Bradac,Son Tung Ha,Milos Toth,Igor Aharonovich,Toan Trong Tran
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (3): 2725-2736 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c10974
摘要

All-optical nanothermometry has become a powerful, remote tool for measuring nanoscale temperatures in applications ranging from medicine to nano-optics and solid-state nanodevices. The key features of any candidate nanothermometer are brightness, sensitivity, and (signal, spatial, and temporal) resolution. Here, we demonstrate a real-time, diamond-based nanothermometry technique with excellent sensitivity (1.8% K-1) and record-high resolution (5.8 × 104 K Hz-1/2 W cm-2) based on codoped nanodiamonds. The distinct performance of our approach stems from two factors: (i) temperature sensors─nanodiamonds cohosting two group IV color centers─engineered to emit spectrally separated Stokes and anti-Stokes fluorescence signals under excitation by a single laser source and (ii) a parallel detection scheme based on filtering optics and high-sensitivity photon counters for fast readout. We demonstrate the performance of our method by monitoring temporal changes in the local temperature of a microcircuit and a MoTe2 field-effect transistor. Our work advances a powerful, alternative strategy for time-resolved temperature monitoring and mapping of micro-/nanoscale devices such as microfluidic channels, nanophotonic circuits, and nanoelectronic devices, as well as complex biological environments such as tissues and cells.

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