СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
METHOD OF MEASURING TEMPERATURE

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. Особенный интерес представляют возможности биологически совместимого подхода к термометрии, который обеспечивает высокую температурную чувствительность и воспроизводимость и может быть использован для изучения тепловыделяющих внутриклеточных процессов.
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. Отдельный NV центр представляет собой вакансию углерода (V), в ближайшей координационной сфере, в которой один из четырех атомов углерода заменен атомом азота (N). NV центры характеризуются основным триплетным спиновым состоянием (S=1), в котором оптически создается неравновесное заполнение спиновых уровней. При этом изменение заполнения спиновых уровней под действием резонансного СВЧ излучения, с которым взаимодействует спиновая система NV центров, регистрируют оптически по изменению люминесценции NV центров. 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 расщепления тонкой структуры D, что приводит к сдвигу частоты ОДМР (см. V.М. Acosta, Е. Bauch, М.P. Ledbetter, et al., Phys. Rev. Lett., V. 104, 070801, 2010).
Известен способ измерения локальной температуры (см. P. Neumann, I. Jakobi, F. Dolde, С.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 необходимость использования очень дорогих алмазов с NV центрами в качестве активного материала для измерения температуры. Способ сложен в осуществлении, его использование сопровождается дополнительными шумами и нагреванием исследуемого объекта.
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.
Известному способу присущи те же недостатки, что и для рассмотренных выше способов измерения температуры.
Si
c
Недавно были обнаружены вакансионные спиновые центры в карбиде кремния (SiC) со свойствами, аналогичными NV центрам в алмазе, будем в дальнейшем также называть эти центры спиновыми центрами с основным и возбужденным квадруплетными спиновыми состояниями (см. Н. Kraus, V.А. 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, Scientific Reports, 2014) и предложен способ измерения температуры, совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип основан на оптическом детектировании магнитного резонанса (ОДМР) на спиновых центрах с квадруплетным спиновым состоянием в карбиде кремния. Он представляет собой возбужденное состояние отрицательно заряженной вакансии кремния (V) со спином S=3/2, взаимодействующей с нейтральной вакансией углерода (V), 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 и положением вакансий кремния и углерода и их взаимным расположением. У центров с квадруплетным спиновым состоянием в карбиде кремния расщепление тонкой структуры зависит от температуры. Способ-прототип 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 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 высокочастотным (ВЧ) магнитным полем с частотой магнитного резонанса. Сопоставляя полученное значение отклонения ОДМР сигнала кристалла карбида кремния с вышеупомянутыми спиновыми центрами с градуировочной кривой зависимости величины частотных отклонений ОДМР спиновых центров от температуры, получают значение температуры исследуемого образца.
В способе-прототипе при оптическом возбуждении происходит выстраивание спиновых центров, которое влияет на неравновесное заполнение спиновых уровней в основном и возбужденном состояниях, а при облучении кристалла перестраиваем высокочастотным (ВЧ) излучением в момент магнитного резонанса меняется интенсивность люминесценции спиновых центров с основным и возбужденным квадруплетными спиновыми состояниями. По величине ВЧ излучения, при которой происходит магнитный резонанс, можно судить о величине расщепление тонкой структуры D, которая входит в спиновый гамильтониан Н, описывающий спиновые уровни спинового центра с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием в магнитном поле В:
где: В - постоянное магнитное поле, Тл;
z
S - безразмерный оператор проекции электронного спина на направление внешнего магнитного поля;
S=3/2 - безразмерная величина, равная спину спинового центра;
е
g=2,002 - безразмерная величина, называемая g-фактором и характеризующая гиромагнитное отношение для электронного магнитного момента используемого спинового центра с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием в карбиде кремния;
е
β=9,2740.10-24 - магнетон Бора, Дж/Тл;
27
2D(T) - расщепление тонкой структуры для спинового центра с зависимым от температуры квадруплетным спиновым состоянием в карбиде кремния, Дж (МГц), 1 Дж=1.509×10 МГц.
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 с 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.
Задачей настоящего изобретения являлась разработка такого способа измерения температуры, который был бы более прост в использовании и в котором исключалось бы использование ВЧ излучения и, следовательно, исключался бы нагрев ВЧ полем объекта, температуру которого измеряют.
Поставленная задача решается тем, что способ измерения магнитного поля 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. Построение этой кривой осуществляют 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 люминесценции спиновых центров с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, в области изменения интенсивности люминесценции снимают кривую зависимости изменения интенсивности люминесценции от величины постоянного магнитного поля и находят величину магнитного поля по точке перегиба сигнала в виде производной, соответствующей АПУ энергии упомянутых спиновых центров в магнитном поле, затем помещают на поверхность упомянутого кристалла карбида кремния исследуемый образец, измеряют интенсивность люминесценции спиновых центров с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 при различной величине постоянного магнитного поля, в области изменения интенсивности люминесценции снимают кривую зависимости изменения интенсивности люминесценции от величины постоянного магнитного поля и по точке АПУ энергии спиновых центров определяют 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 воздействие на кристалл карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, содержащего спиновые центры с квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, переменным магнитным полем низкой частоты и постоянным магнитным полем, а также то, что снимают градуировочную кривую зависимости магнитного поля в точке АПУ от температуры, при измерении температуры образца снимают зависимость изменения интенсивности люминесценции от величины постоянного магнитного поля и определяют величину магнитного поля для АПУ, соответствующую измеряемой температуре.
Возбуждение люминесценции спиновых центров с квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, сфокусированным лазерным излучением, может быть осуществлено с использованием конфокальной оптики 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 возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2. 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 АПУ в температуру. Если проводить измерение изменения люминесценции в разных точках карбида кремния (или перемещать 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 фотолюминесценции (ФЛ) спиновых центров с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, что проявляется в существовании точки перегиба на кривой зависимости изменения интенсивности люминесценции спиновых центров с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 от величины постоянного магнитного поля. Эта точка перегиба соответствует моменту антипересечения уровней (АПУ) энергии в магнитном поле этих спиновых центров в кристалле карбида кремния.
Настоящее техническое решение поясняется чертежами, представленными с целью иллюстрации, но не для ограничения, где:
s
C
на фиг. 1 показаны структурные формулы спиновых центров (СЦ) с основным и возбужденным квадруплетным спиновыми состояниями S=3/2 (V -вакансия кремния; V - вакансия углерода) для двух политипов карбида кремния 6H-SiC и 4H-SiC; в 6H-SiC представлены две структуры спиновых центров - СП1 и СП2;
s
s
s
s
s
на фиг. 2 приведена схема энергетических спиновых уровней в магнитном поле для возбужденного квадруплетного состояния спинового центра СП1 в 6Н-SiC с S=3/2; точка антипересечения уровней (АПУ) показана кружком для спиновых уровней с проекциями спинов (M) M=-3/2; M=1/2; и квадратом для АПУ с M=-3/2; M=-1/2;
на фиг. 3 показаны кривые изменения интенсивности фотолюминесценции (ФЛ) спиновых центров в зависимости от приложенного магнитного поля в области антипересечения уровней для возбужденных квадруплетных состояний СЦ1 и СЦ2 в кристалле 6H-SiC, зарегистрированные при двух температурах 290 К и 80 К; точки перегиба для АПУ1 и АПУ2 обозначены кружком и квадратом соответственно; для СЦ2 показаны только кривые в области АПУ1;
на фиг. 4 приведена градуированная кривая в виде зависимости положения АПУ1 для СЦ1 от температуры в кристалле 6H-SiC;
на фиг. 5 изображена градуировочная кривая в виде зависимости положения АПУ1 для СЦ2 от температуры в кристалле 6H-SiC; ΔВ - изменение магнитного поля АПУ в двух точках активного материала, находящихся при разных температурах (разность температур создавалась нагревателем, расположенным на разных расстояниях от заданных точек); ΔТ - разность температур в заданных точках, определяемых с помощью градуировочной кривой;
на фиг. 6 приведены кривые изменения интенсивности фотолюминесценции спиновых центров в зависимости от приложенного магнитного поля в области антипересечения уровней АПУ1 (обозначенные кружком) для возбужденного квадруплетного спинового состояния СЦ в кристалле 4H-SiC, зарегистрированные при двух температурах 240 К и 80 К;
на фиг.7 показана градуировочная кривая в виде зависимости положения АПУ1 для СЦ от температуры в кристалле 4H-SiC.
Si
C
s
s
s
s
s
s
s
s
s
s
s
Настоящий способ измерения температуры включает предварительное построение экспериментальной градуировочной кривой зависимости величины магнитного поля в точке антипересечения уровней (АПУ) энергии спиновых центров (СЦ) с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, содержащихся в кристалле карбида кремния гексагонального или ромбического политипа от температуры (на фиг. 4 показана градуировочной кривая для политипа 6H-SiC, а на фиг. 7 для 4H-SiC). Регистрацию градуировочной кривой АПУ энергии СЦ осуществляют путем воздействия на упомянутый кристалл карбида кремния при различной температуре сфокусированным лазерным излучением (например, длиной волны 785 нм или 808 нм), переменным магнитным полем низкой частоты (в интервале частот от десятков Гц до единиц кГц) амплитудой, например, (0,001-0,01) мТл и постоянным магнитным полем (0-500 Гс), измеряя при этом для каждой температуры интенсивность люминесценции (диапазон для регистрации люминесценции 850-950 нм) от величины постоянного магнитного поля, и находят магнитное поле по точке перегиба сигнала в виде производной АПУ энергии СЦ. Структурные формулы спиновых центров с основным и возбужденным квадруплетным спиновыми состояниями (V - вакансия кремния; V - вакансия углерода) в политипе карбида кремния 6H-SiC (представлены две структуры спиновых центров - СП1 и СП2) или 4H-SiC показаны на фиг. 1. В качестве примера на фиг. 2 приведена схема энергетических спиновых уровней в магнитном поле для возбужденного квадруплетного состояния спинового центра СП1 в 6H-SiC с S=3/2; точка антипересечения уровней (АПУ) показана кружком для спиновых уровней с проекциями спинов (M) M=-3/2; M=l/2; и квадратом для АПУ с M=-3/2; M=-1/2. На фиг. 3 показаны сигналы изменения интенсивности фотолюминесценции (ФЛ) спиновых центров в зависимости от приложенного магнитного поля в области АПУ для возбужденных квадруплетных состояний СЦ1 и СЦ2 в кристалле 6H-SiC, зарегистрированные при двух температурах 290 К и 80 К; точки перегиба для АПУ1 и АПУ2 обозначены кружком и квадратом соответственно; для СЦ2 показаны только кривые в области АПУ1. Подобные зависимости регистрируют при разных температурах и по этим сигналам определяют величины магнитных полей в точках перегиба, обозначенных на фиг. 3 кружочками для АПУ между уровнями M=-3/2; M=l/2, которые и будут использоваться для измерения температуры. Затем строят градуировочную кривую зависимости величины магнитного поля В, соответствующего АПУ между уровнями M=-3/2; M=l/2 для возбужденного квадруплетного спинового состояния спинового центра (СЦ) от температуры. Значение величины В магнитного поля в точке перегиба кривой, в которой происходит антипересечение спиновых подуровней M=-3/2 и M=l/2 для спинового центра с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием:
e
e
B=D/gβ,
где: В - значение постоянного магнитного поля в точке перегиба первой кривой, мТл;
е
g=2,0028 - безразмерная величина, называемая g-фактором и характеризующая гиромагнитное отношение для электронного магнитного момента спинового центра в карбиде кремния;
е
β=9,2740.10-24 - магнетон Бора, ДжДл;
2D(T) - зависящее от температуры расщепление тонкой структуры для спинового центра в возбужденном квадруплетном спиновом состоянии в карбиде кремния, МГц (ГГц).
На фиг. 4 и фиг. 5 приведены градуировочные кривые в виде зависимостей положения АПУ1 для СЦ1 и СЦ2 от температуры в кристалле 6Н-SiC, построенные экспериментально. На градуировочной кривой, приведенной на фиг. 7, показано изменение величины магнитного поля АПУ1 (ΔВ) в двух точках активного материала, находящихся при разных температурах (разность температур создавалась нагревателем, расположенным на разных расстояниях от заданных точек); этому изменению соответствует разность температур (ΔТ) в заданных точках, определяемых с помощью градуировочной кривой.
Затем помещают на поверхность кристалла карбида кремния, содержащего спиновые центры с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, исследуемый образец, локальную температуру в котором нужно измерить. Снова повторяют измерения зависимости интенсивности ФЛ спиновых центров с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 от величины постоянного магнитного поля и находят величину магнитного поля в точке перегиба (АПУ1), затем по градуировочной кривой находят температуру, соответствующую этой величине магнитного поля. Затем все измерения повторяют в другой точке образца и в результате строят температурное поле образца.
Пример 1. Описанным выше способом была определена температура образца помещенного на кристалл карбида кремния политипа 6H-SiC, содержащего спиновые центры СЦ2, вариант такого измерения показан на фиг. 3 и фиг. 5. Температуру изменяли путем прокачки холодного воздуха в месте расположения образца. На рабочий материал в виде карбида кремния фокусировали свет лазера с длиной волны 808 нм, размер пятна в диаметре примерно 300 нм, с этой области регистрировали люминесценцию спиновых центров СЦ2 на длинах волн 850-950 нм. Магнитное поле, соответствующее АПУ1 для СЦ2, находили по изменению люминесценции. Затем с помощью градуировочной кривой определялась температура.
Пример 2. Описанным выше способом была определена температура образца помещенного на кристалл карбида 4H-SiC при двух измерениях, кристалл карбида содержит спиновые центры СЦ, вариант такого измерения показан на фиг. 6 и фиг. 7. Температуру изменяли путем прокачки холодного воздуха в месте расположения образца. На рабочий материал в виде карбида кремния фокусировали свет лазера с длиной волны 808 нм, размер пятна в диаметре примерно 300 нм, с этой области регистрировали люминесценцию спиновых центров СЦ на длинах волн 850-950 нм. Магнитное поле, соответствующее АПУ1 для СЦ, находили по изменению люминесценции. Затем с помощью градуировочной кривой определялась температура.
Настоящий способ может быть использован для получения градиента температурного поля при пространственном перемещении возбуждаемого светом пятна в плоскости, перпендикулярной лазерному лучу. При этом может быть достигнута высокая точность относительных измерений с использование сигнала АПУ в виде производной, которая регистрируется с помощью синхронного детектирования при малой низкочастотной модуляции магнитного поля. В этом случае определяют ширину линии АПУ в магнитном поле, и затем при сдвиге температуры линия АПУ сдвигается в магнитном поле, величина и знак сдвига регистрируются по изменению ФЛ в пределах ширины линии. Может быть достигнута чувствительность 50 мК за время регистрации 1 сек с разрешением ~200 нм, соответствующим размеру пятна сфокусированного лазера.
Вариант реализации настоящего способа измерения температурного поля заключается в использовании приповерхностного слоя кристалла карбида кремния, содержащего высокую концентрацию спиновых центров с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием, для измерения распределения локальных температур на наноуровне, 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. Кристалл или нанокристалл карбида кремния, содержащего спиновые центры с возбужденным квадруплетным состоянием S=3/2, помещают на острие зонда атомно-силового микроскопа, далее зонд прикасают к исследуемому образцу в виде, например, живой клетки или иной конденсированной системы, в определенных точках. В виду высокой теплопроводности карбида кремния и сильной зависимости расщепления тонкой структуры от температуры практически во всем измеряемом температурном диапазоне 10-350 К температура в точке соприкосновения зонда с образцом может быть измерена.