Et mikrotermometer til registrering af små temperaturændringer

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) og deres samarbejdspartnere har udviklet et mikrometer-bredt termometer, der er følsomt over for varme genereret af optiske og elektronstråler, og kan måle små og hurtige temperaturændringer i realtid. Denne nye enhed kan bruges til at udforske varmetransport på mikro- og nanovægten, og i optiske mikroskopi og synkrotronstrålingseksperimenter.

Der er et presserende behov for en enhed, der kan måle termisk adfærd på nanoskalaen og i realtid, da denne teknologi kunne anvendes i foto-termisk kræftbehandling såvel som i avanceret forskning om krystaller, optisk lyshøst, etc. Desuden et miniaturet termisk mikroskopisystem med en nanoskala varmekilde og detektor er afgørende for fremtidig udvikling af næste generations transistorer, der vil blive anvendt til at designe nye nanoskalaenheder.

Et termoelement er en elektrisk enhed, der består af to forskellige elektriske ledere, der danner elektriske kryds ved forskellige temperaturer. Et termoelement producerer en temperaturafhængig spænding, som kan tolkes til at måle temperatur. Mikro-termoelementet, der for nylig blev udviklet af forskere ved Tokyo Institute of Technology og deres samarbejdspartnere, er af stor betydning for forskere på mange områder. Denne enhed består af et guld- og nikkel -termoelement på en siliciumnitridmembran og er miniaturiseret i det omfang, at elektroderne kun er 2,5 um brede, og membranen er kun 30 nm tyk. For at et sådant system kan bruges som en termisk karakteriseringsenhed, dvs. et termometer, den skal vise følsomhed over for temperaturændringer. Det udviklede mikro-termoelement udviste stor lydhørhed over for varme genereret af en laser og en elektronstråle. Vigtigere, små temperaturændringer blev målt af det udviklede termoelement til begge typer opvarmning.

En allerede udviklet miniaturiseringsproces blev brugt til at forberede mikro-termoelementet, men der blev foretaget kritiske forbedringer. I den etablerede metode, der oprettes et krydsmønster af metalstriber med en bredde på et par mikrometer, så der produceres et termoelement. Forskerne ved Tokyo Institute of Technology og deres kolleger brugte denne teknik til at skabe et mønster på en nanotyndt siliciumnitridmembran, hvilket forbedrede enhedens følsomhed og gjorde det muligt at reagere hurtigere. Gennem denne tilgang, et termometer, der kunne måle hurtige og små temperaturændringer, blev succesfuldt fremstillet, med målingerne udført gennem den nanotynde siliciumnitridmembran.

Som forklaret ovenfor, både en nanoskala varmekilde og en nanoskala detektor er nødvendige for et miniaturiseret termisk mikroskopisystem. Disse krav blev opfyldt med succes af forskerne, der brugte den nanotynde membran og en tæt fokuseret laser- eller elektronstråle til at skabe en varmekilde med en diameter på mindre end 1 μm. Så, kombineret med mikro-termoelementdetektoren, et termisk mikroskopisystem i nanoskala blev opnået. Dette system kan betragtes som en ny "værktøjskasse" til undersøgelse af varmetransportadfærd på mikro- og nanoskalaerne, med mange vigtige applikationer på en lang række områder.