IBM-wetenschappers vinden een thermometer uit voor de nanoschaal

Het IBM-lab dat verantwoordelijk is voor het uitvinden van de scanning tunneling microscoop en de atomic force microscoop heeft een ander cruciaal hulpmiddel uitgevonden om ons te helpen de nanoschaal te begrijpen.

Het nauwkeurig meten van de temperatuur van objecten op nanoschaal vormt al tientallen jaren een uitdaging voor wetenschappers. De huidige technieken zijn niet nauwkeurig en genereren doorgaans artefacten, waardoor hun betrouwbaarheid wordt beperkt.

Gemotiveerd door deze uitdaging en hun behoefte om de temperatuur van nieuwe transistorontwerpen nauwkeurig te karakteriseren om aan de vraag van toekomstige cognitieve computers te voldoen, hebben wetenschappers in Zwitserland van IBM en ETH Zürich een baanbrekende techniek uitgevonden om de temperatuur van nano- en macro-objecten te meten . De uitvinding waarvoor patent is aangevraagd, wordt vandaag voor het eerst onthuld in het peer-reviewed tijdschrift Nature Communications, Temperature mapping of operating nanoscale devices by scanning probe thermometry ( doi:10.1038/ncomms10874)

Een geschiedenis van uitvindingen

In de jaren tachtig wilden IBM-wetenschappers Gerd Binnig en wijlen Heinrich Rohrer de elektronische structuur en onvolkomenheden van een oppervlak rechtstreeks onderzoeken. Het instrument dat ze nodig hadden om dergelijke metingen te doen, bestond nog niet. Dus deden ze wat elke goede wetenschapper zou doen:ze vonden er een uit. Het werd bekend als de scanning tunneling microscope (STM) en opende de deur naar nanotechnologie. Slechts een paar jaar later werd de uitvinding met de hoogste onderscheiding erkend, de Nobelprijs voor de natuurkunde in 1986.

Meer dan 30 jaar later blijven IBM-wetenschappers in de voetsporen treden van Binnig en Rohrer en met hun nieuwste uitvinding.

Dr. Fabian Menges, een IBM-postdoc en mede-uitvinder van de techniek, zei:"We begonnen in 2010 en gaven gewoon nooit op. Eerder onderzoek was gericht op een thermometer op nanoschaal, maar we hadden een thermometer voor de nanoschaal moeten uitvinden - een belangrijk onderscheid. Deze aanpassing bracht ons ertoe een techniek te ontwikkelen die lokale thermische detectie combineert met het meetvermogen van een microscoop - we noemen het scanning probe-thermometrie.”

IBM-wetenschapper Fabian Menges met zijn uitvinding.

Hoe het werkt:een scansonde-thermometrie

De meest gebruikelijke techniek om temperatuur op macroschaal te meten, is door een thermometer in thermisch contact te brengen met het monster. Zo werkt een koortsthermometer. Zodra het onder onze tong is geplaatst, komt het in evenwicht met onze lichaamstemperatuur, zodat we onze temperatuur op een gezonde 37 graden C kunnen bepalen. Helaas wordt het een beetje uitdagender als je een thermometer gebruikt om een ​​nanoscopisch object te meten.

Het zou bijvoorbeeld onmogelijk zijn om een ​​typische thermometer te gebruiken om de temperatuur van een individueel virus te meten. De grootte van het virus is te klein en de thermometer kan niet in evenwicht komen zonder de virustemperatuur significant te verstoren.

Om deze uitdaging op te lossen, ontwikkelden IBM-wetenschappers een single-scan non-equilibrium contactthermometrietechniek om de temperatuur van nanoscopische objecten te meten met behulp van een scanningsonde.

Omdat de scanningsondethermometer en het object niet thermisch kunnen equilibreren op nanoschaal, worden twee signalen tegelijkertijd gemeten:een kleine warmtestroom en de weerstand tegen warmtestroom. Door deze twee signalen te combineren, kan de temperatuur van nanoscopische objecten worden gekwantificeerd voor een nauwkeurig resultaat.

IBM-wetenschapper Dr. Bernd Gotsmann en mede-uitvinder legt uit:"De techniek is analoog aan het aanraken van een hete plaat en het afleiden van de temperatuur van de warmtestroom tussen ons eigen lichaam en de warmtebron. In wezen is de punt van de sonde onze hand. Onze perceptie van warm en koud kan heel nuttig zijn om een ​​idee te krijgen van de temperatuur van een object, maar het kan ook misleidend zijn als de weerstand tegen warmtestroom onbekend is.”

Eerder namen wetenschappers deze weerstandsafhankelijkheid niet nauwkeurig op; maar alleen het meten van de snelheid van de thermische energieoverdracht door het oppervlak, bekend als warmteflux. In het artikel namen de auteurs de effecten op van lokale variaties van thermische weerstand om de temperatuur van een indiumarsenide (InAs) nanodraad te meten, en een zelfverwarmde gouden interconnect met een combinatie van een paar-miliKelvin en een ruimtelijke resolutie van enkele nanometers.

Menges voegt hieraan toe:"De scanningsondethermometer is niet alleen nauwkeurig, hij voldoet ook aan de trifecta voor gereedschap:hij is eenvoudig te bedienen, eenvoudig te bouwen en zeer veelzijdig, omdat hij kan worden gebruikt om de temperatuur te meten van nano- en micro-formaat hotspots die plaatselijk de fysieke eigenschappen van materialen kunnen beïnvloeden of chemische reacties kunnen sturen in apparaten zoals transistors, geheugencellen, thermo-elektrische energieomzetters of plasmonische structuren. De toepassingen zijn eindeloos.”

Van links naar rechts, IBM-wetenschappers Nico Mosso, Bernd Gotsmann, Fabian Motzfeld en Fabian Menges in het Noise Free Lab.

Ruisvrije Labs

Het is geen toeval dat het team 18 maanden geleden verbeteringen begon te zien in de ontwikkeling van de scanningsondethermometer toen ze hun onderzoek verplaatsten naar de nieuwe Noise Free Labs - zes meter onder de grond in het Binnig and Rohrer Nanotechnology Center op de campus van IBM Research- Zürich.

Deze unieke omgeving, die de experimenten afschermt van trillingen, akoestische ruis, elektromagnetische signalen en temperatuurschommelingen, hielp het team om submilli Kelvin-precisie te bereiken.

"Hoewel we het voordeel hadden van deze unieke kamer, kan de techniek ook betrouwbare resultaten opleveren in een normale omgeving", zegt Menges.

Volgende stappen

"We hopen dat het artikel zowel veel opwinding als opluchting zal opleveren voor wetenschappers, die net als wij op zoek waren naar zo'n hulpmiddel", zei Gotsmann. "Net als de STM hopen we deze techniek in licentie te geven aan gereedschapsfabrikanten, die deze vervolgens op de markt kunnen brengen als een extra functie voor hun microscopieproductlijn."

De wetenschappers willen het 7e programmakader bedanken voor hun steun in het kader van het NANOHEAT-project en de Zwitserse National Science Foundation.