Visualisering af temperaturtransport:En uventet teknik til karakterisering af nanoskala

Efterhånden som enheder fortsætter med at krympe, opstår der nye udfordringer i deres måling og design. For enheder baseret på molekylære forbindelser, hvor enkelte molekyler er bundet til metaller eller halvledere, har vi en række forskellige teknikker til at studere og karakterisere deres elektriske transportegenskaber. I modsætning hertil har undersøgelse af de termiske transportegenskaber af sådanne kryds på nanoskala vist sig mere udfordrende, og mange temperaturrelaterede kvantefænomener i dem forbliver dårligt forståede.

I nogle få undersøgelser lykkedes det forskerne at måle de termiske transportegenskaber i molekylære forbindelser på nanoskala ved hjælp af en teknik kaldet scanning termisk mikroskopi (SThM). Denne metode involverer at sætte en meget skarp metallisk spids i kontakt med målmaterialet og flytte denne spids gennem hele materialets overflade. Spidsen, som opvarmes bagfra ved hjælp af en laser, indeholder et termoelement. Denne lille enhed måler temperaturforskelle, og ved at balancere opvarmningen af ​​spidsen forårsaget af laseren med spidsens afkøling forårsaget af varme, der strømmer ind i målprøven, bliver det muligt at måle et materiales termiske transportegenskaber punkt for punkt.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Journal of the American Chemical Society , rapporterede videnskabsmænd fra Tokyo Tech om et serendipitalt, men vigtigt fund, mens de brugte SThM. Holdet brugte en SThM-teknik til at måle de termiske transportegenskaber af selvsamlede monolag (SAM'er). Disse prøver indeholdt skiftende striber af hvert af de tre mulige par blandt n-hexadecanthiol, n-butanthiol og benzenthiol. Udover at anvende den standardkontaktbaserede SThM-tilgang, forsøgte forskerne også at bruge et ikke-kontaktregime, hvor spidsen af ​​det scanningstermiske mikroskop blev holdt over prøven uden at røre den. Uventet indså de, at dette ikke-kontaktregime havde et seriøst potentiale.

I kontakt SThM-regimet strømmer varme direkte fra spidsen til prøven. I modsætning hertil, i det berøringsfrie SThM-regime, sker den eneste varmeoverførsel mellem spidsen og prøven via varmestråling. Som holdet lærte gennem eksperimenter, mens kontaktregimet er bedst til at visualisere de termiske transportegenskaber, er ikke-kontaktregimet meget mere følsomt over for den faktiske længde af molekylerne "stikker ud" fra substratet. Kombinationen af ​​ikke-kontakt og kontakt regimer giver således en helt ny måde at skabe topografiske og termiske transportbilleder af en prøve på samtidigt.

Desuden har den ikke-kontakt tilgang fordele i forhold til andre veletablerede mikroskopi teknikker, som lektor Shintaro Fujii, hovedforfatter af papiret, forklarer:"Den ikke-kontakt SThM tilgang er fuldstændig ikke-destruktiv, i modsætning til andre teknikker som atomkraft. mikroskopi, som kræver kontakt mellem scanningsspidsen og prøven og dermed har en mekanisk påvirkning, der kan beskadige bløde organiske materialer."

Samlet set vil indsigten fra denne undersøgelse bane vejen for nye teknologiske fremskridt og en dybere forståelse af materialer på nanoskala. "Vores arbejde er ikke kun det første til at levere termiske billeder af organiske SAM'er, men giver også en ny teknik til undersøgelse af termiske transportegenskaber, som vil være afgørende for termisk styring i forskellige typer nanoenheder," konkluderer Fujii.

Lad os håbe, at dette arbejde hjælper videnskabsmænd med at belyse termiske fænomeners mange mysterier. + Udforsk yderligere

Forskere introducerer ny vej til termiske målinger med nanometeropløsning