Forskere opfinder et termometer til nanoskalaen

IBM-laboratoriet, der er ansvarligt for at opfinde scanningstunnelmikroskopet og atomkraftmikroskopet, har opfundet et andet kritisk værktøj til at hjælpe os med at forstå nanoverdenen.

Nøjagtig måling af temperaturen på objekter på nanoskala har været udfordrende for forskere i årtier. Nuværende teknikker er ikke nøjagtige, og de genererer typisk artefakter, begrænser deres pålidelighed.

Motiveret af denne udfordring og deres behov for præcist at karakterisere temperaturen i nye transistordesign for at imødekomme efterspørgslen fra fremtidige kognitive computere, forskere i Schweiz fra IBM og ETH Zürich har opfundet en banebrydende teknik til at måle temperaturen på objekter i nano- og makrostørrelse. Den patentanmeldte opfindelse afsløres for første gang i dag i peer-review-tidsskriftet Naturkommunikation , "Temperaturkortlægning af enheder i nanoskala ved scanning af sondetermometri."

Opfindelsens historie

I 1980'erne, IBM-videnskabsmænd Gerd Binnig og afdøde Heinrich Rohrer ønskede direkte at udforske en overflades elektroniske struktur og ufuldkommenheder. Instrumentet de skulle bruge til at tage sådanne målinger eksisterede ikke, endnu. Så de gjorde, hvad enhver god videnskabsmand ville gøre:de opfandt en. Det blev kendt som scanning tunneling microscope (STM), åbner døren til nanoteknologi. Blot et par år senere, opfindelsen blev anerkendt med den højeste ære, Nobelprisen i fysik i 1986.

Mere end 30 år senere fortsætter IBM-forskere med at følge i Binnigs og Rohrers fodspor og med deres seneste opfindelse.

Dr. Fabian Menges, en IBM postdoc og medopfinder af teknikken sagde, "Vi startede tilbage i 2010 og gav simpelthen aldrig op. Tidligere forskning var fokuseret på et termometer i nanoskala, men vi burde have opfundet et termometer til nanoskalaen - en vigtig sondring. Denne justering førte os til at udvikle en teknik, der kombinerer lokal termisk sensing med et mikroskops måleevne - vi kalder det scanning probe termometri."

Sådan virker det:En scanningssondetermometri

Den mest almindelige teknik til måling af temperatur på makroskalaen er at bringe et termometer i termisk kontakt med prøven. Sådan fungerer et febertermometer. Når det er placeret under vores tunge, ækvilibrerer det sig til vores kropstemperatur, så vi kan bestemme vores temperatur ved sunde 37 grader C. Desværre, det bliver lidt mere udfordrende, når man bruger et termometer til at måle et nanoskopisk objekt.

For eksempel, det ville være umuligt at bruge et typisk termometer til at måle temperaturen på en individuel virus. Størrelsen af ​​virussen er for lille, og termometeret kan ikke ækvilibrere uden at forstyrre virustemperaturen væsentligt.

For at løse denne udfordring, IBM-forskere udviklede en enkelt scannings-ikke-ligevægt kontakttermometriteknik til at måle temperaturen på nanoskopiske objekter ved hjælp af en scanningssonde.

Da scanningssondetermometeret og objektet ikke kan termisk ækvilibrere på nanoskala, to signaler måles samtidigt:en lille varmeflux, og dens modstand mod varmestrømning. Ved at kombinere disse to signaler kan temperaturen af ​​nanoskopiske objekter derefter kvantificeres for et nøjagtigt resultat.

IBM videnskabsmand Dr. Bernd Gotsmann og medopfinder forklarer, "Teknikken er analog med at røre ved en varmeplade og udlede dens temperatur ved at fornemme varmestrømmen mellem vores egen krop og varmekilden. spidsen af ​​sonden er vores hånd. Vores opfattelse af varmt og koldt kan være meget nyttigt for at få en idé om en objekts temperatur, men det kan også være misvisende, hvis modstanden mod varmestrømning er ukendt."

Tidligere, videnskabsmænd inkluderede ikke nøjagtigt denne modstandsafhængighed; men kun måling af hastigheden af ​​den termiske energioverførsel gennem overfladen, kaldes varmeflux. I avisen, forfatterne inkluderede virkningerne af lokale variationer af termisk resistens til måling af temperaturen af ​​et indiumarsenid (InAs) nanotråd, og en selvopvarmet guldforbindelse med en kombination af nogle få miliKelvin og få nanometer rumlig opløsning.

Menges tilføjer, "Ikke kun er scanningssondetermometeret nøjagtigt, det opfylder trifectaen for værktøjer:det er nemt at betjene, enkel at bygge, og meget alsidig, ved, at det kan bruges til at måle temperaturen på nano- og mikrostore hot spots, der lokalt kan påvirke materialers fysiske egenskaber eller styre kemiske reaktioner i enheder som transistorer, hukommelsesceller, termoelektriske energiomformere eller plasmoniske strukturer. Ansøgningerne er uendelige."

Støjfri laboratorier

Det er ikke tilfældigt, at holdet begyndte at se forbedringer i udviklingen af ​​scanningsprobetermometeret for 18 måneder siden, da de flyttede deres forskning ind i de nye Noise Free Labs - seks meter under jorden ved Binnig og Rohrer Nanotechnology Center på campus for IBM Research- Zürich.

Dette unikke miljø, som beskytter eksperimenterne mod vibrationer, akustisk støj, elektromagnetiske signaler og temperaturudsving, hjalp holdet med at opnå sub-milliKelvin-præcision.

"Mens vi havde fordelen af ​​dette unikke rum, teknikken kan også give pålidelige resultater i normale omgivelser, sagde Menges.

Næste skridt

"Vi håber, at papiret vil skabe både en masse spænding og lettelse for videnskabsmænd, hvem kan lide os, har ledt efter et sådant værktøj, sagde Gotsmann. Ligesom STM, Vi håber at licensere denne teknik til værktøjsproducenter, som derefter kan bringe den på markedet som en ekstra funktion til deres mikroskopi-produktlinje."