IBM-wetenschappers meten warmteoverdracht via enkele atomen

Schematische weergave van de meettechniek. Krediet:natuurnanotechnologie

Vandaag gepubliceerd, met behulp van een techniek die lijkt op trampoline, hebben IBM-wetenschappers voor het eerst de thermische geleidbaarheid van metalen kwantumpuntcontacten gemaakt van goud tot op het niveau van één atoom bij kamertemperatuur gemeten.

Omdat alles schaalt naar de nanoschaal, wordt warmte - meer bepaald het verlies ervan - een probleem in de betrouwbaarheid van het apparaat. Om dit aan te pakken, hebben IBM-wetenschappers in Zürich en studenten van ETH Zürich vorig jaar een techniek gepubliceerd en gepatenteerd om de temperatuur van deze nano-objecten op en onder de 10 nanometer te meten - een opmerkelijke prestatie. Ze noemden de nieuwe techniek scanning probe thermometry (video) en het bood ingenieurs voor het eerst de mogelijkheid om warmteverlies over een chip in kaart te brengen, en, nog belangrijker, om warmteverlies in kaart te brengen tot op het niveau van één apparaat en om de temperatuur in kaart te brengen. distributies.

Experimentele opzet gebruikt in de krant. (klik op de foto om te vergroten)

Aangezien de omvang van elektronische apparaten echter blijft krimpen, zal 10 nanometer zeer binnenkort niet langer als "kleinschalig" worden beschouwd. Het testen van de kleinst mogelijke structuur die thermisch kan worden gedetecteerd, wordt dan nog belangrijker. Gelukkig, tot opluchting van wetenschappers die werken aan de uitdaging van warmteafvoer, melden dezelfde uitvinders nu een nieuwe doorbraak om precies dat te doen, in het peer-reviewed tijdschrift Nature Nanotechnology.

De auteurs schrijven twee factoren voor hun succes toe:een micro-elektromechanisch systeem (MEMS) met een geïntegreerde thermische sensor die wordt gebruikt in een op vacuüm gebaseerde scanning tunneling microscope (STM) en een extreem ontkoppeld laboratorium Noise Free Lab, dat is afgeschermd van bijna alle soort storing, waaronder het aardmagnetisch veld, gsm-masten en trillingen van een passerende trein.

Zoals gemeld:

Het systeem combineert in wezen gelijktijdige metingen van warmte- en ladingstransport om de thermische en elektrische geleiding van metalen contacten te extraheren. Net als bij andere STM-break-junction-opstellingen, wordt een STM-tip gebruikt om contacten met een paar atomen te vormen en te verbreken op een substraat dat is bedekt met een metalen laag. Hier is de onderste elektrode echter geïntegreerd op een opgehangen MEMS om deze thermisch te isoleren van het chipsubstraat.

IBM-onderzoeker Dr. Bernd Gotsmann in de IBM Noise Free Lab waar dit onderzoek is uitgevoerd. Fotocredit:Carl De Torres

"De eigenschappen van warmtegeleiding door atomaire juncties moeten nog volledig worden onderzocht, zei Dr. Bernd Gotsmann, een van de hoofdauteurs van het artikel. "Hierdoor bewezen we ook de geldigheid van de Wiedemann-Franz-wet in kwantumpuntcontacten, die oorspronkelijk werd voorspeld door voormalig IBM-wetenschapper Rolf Landauer."

Naast het meten van de thermische geleidbaarheid in elektronische apparaten, denken de auteurs dat hun resultaten ook enkele aanvullende toepassingen kunnen vinden.

IBM-wetenschapper en hoofdauteur Nico Mosso legt uit:"Naast kwantumpuntcontacten van verschillende metalen, zal de techniek wetenschappers ook in staat stellen om warmte te karakteriseren en te beheersen, zelfs in moleculaire apparaten. Dit biedt echt veel kansen en stelt ons hopelijk in staat om in de toekomst met warmte te spelen zoals we dat nu met elektriciteit doen.”

Warmtetransport door atomaire contacten, Nico Mosso, Ute Drechsler, Fabian Menges, Peter Nirmalraj, Siegfried Karg, Heike Riel &Bernd Gotsmann,  doi:10.1038/nnano.2016.302

Het onderzoek werd gedeeltelijk gefinancierd door de Europese Commissie in het kader van het H2020 Molesco-project.