Forskere introducerer ny vej til termiske målinger med nanometeropløsning

Forståelse af nanoskala varmeflow er afgørende i designet af integrerede elektroniske enheder og i udviklingen af ​​materialer til termisk isolering og termoelektrisk energigenvinding. Mens flere teknikker i øjeblikket er tilgængelige til at observere varmetransport over makroskopiske afstande, der er behov for nye metoder, der kan afsløre dynamikken i varmestrømmen med nanometeropløsning.

Et CCNY-hold ledet af fysikprofessorerne Carlos Meriles og Elisa Riedo rapporterede for nylig om en alsidig platform for termiske målinger i nanoskala baseret på en kombination af magnetisk resonans, og optisk og atomkraftmikroskopi, i Naturkommunikation . Deres papir, "Billeddannelse af termisk ledningsevne med opløsning i nanoskala ved hjælp af en scanningsspinsonde, " er baseret på en simpel forestilling:at en varm sonde i kontakt med et termisk ledende materiale, såsom et metal, køler ned, fordi varme strømmer fra sonden ind i materialet. Sidstnævnte forhindres, imidlertid, hvis prøvematerialet er termisk isolerende, hvilket betyder, at man kan udlede prøvens varmeledningsevne ved kontinuerligt at overvåge sondetemperaturen.

For at implementere denne idé på nanoskala, forskerne brugte et termisk atomkraftmikroskop, hvor cantilever-temperaturen kan justeres via påføring af en ekstern strøm. AFM cantilever er vært for en skarp spids, der kommer i kontakt med underlaget på en lille, nanometer-størrelse. For at måle spidstemperaturen, CCNY-teamet vedhæftede en diamant nanokrystal til spidsens spids, hvis termisk afhængige fluorescens effektivt gjorde det til et lille termometer. Nanometer-opløste termiske ledningsevnekort blev derefter opnået, da spidsen blev scannet over forskellige substrater med heterogen sammensætning.

Holdet forudser flere anvendelser lige fra grundlæggende problemer med varmeflow i nanostrukturer og strålingsvarmetransport i nano-gab, til karakterisering af materialer, der gennemgår heterogene faseovergange, til undersøgelse af katalytiske eksoterme reaktioner. Selvom der i den nuværende implementering strømmer varme fra AFM-spidsen ind i prøven, teknikken kan umiddelbart tilpasses til at undersøge den lokale temperatur i et varmt, uensartet underlag uden behov for en termisk udligger.

"Denne form for nanoskala scanning termometri kan spille en vigtig rolle i karakteriseringen af ​​de 'hot spots' dannet ved krydsene af halvleder heterostrukturer, kendt for at være kritisk i produktionen af ​​varme i integrerede elektroniske enheder, " sagde Meriles.