IBM Ingenieurs Ontwikkelen Nanoscopische Thermometer, In Staat Precise Temperatuurmapping van Quantum Apparaten

Het IBM laboratorium dat de scanning tunneling microscope (STM) en atomic force microscope (AFM) pionierde, heeft een nieuw, onmisbaar instrument voor nanoscale onderzoek geïntroduceerd: een scanning probe thermometer capabel temperaturen te meten met millikelvin precisie.

Accuraat bepalen van de temperatuur van objecten op de nanometerschaal heeft lang een uitdaging gevormd. Bestaande methoden zijn of onnauwkeurig of introduceren meetartefacten die betrouwbaarheid compromitteren.

Gemotiveerd door de behoefte next-generation transistor ontwerpen voor cognitive computing te karakteriseren, onthulden IBM wetenschappers in Zwitserland, in samenwerking met ETH Zurich, een breekbare techniek. De patent-pending uitvinding wordt beschreven in het peer-review tijdschrift Nature Communications onder de titel "Temperature mapping of operating nanoscale devices by scanning probe thermometry."

Geschiedenis van Innovatie

In de jaren '80 realiseerden IBM onderzoekers Gerd Binnig en de overledene Heinrich Rohrer dat bestaande instrumenten een oppervlak's elektronische structuur niet direct konden sondes. Zij vonden de STM, een beslissing die hen de 1986 Nobelprijs voor Natuurkunde opleverde en het veld van nanotechnologie opende.

Nu, meer dan drie decennia later, volgen IBM wetenschappers die pioniersgeest met een thermometer ontworpen voor de nanoscale.

Dr. Fabian Menges, een IBM post-doc en co-uitvinder, merkt op: "Wij begonnen in 2010 en bleven onvermoeid. Eerder werk focuste op een nanoscale thermometer, maar wij herzagen het als een thermometer *voor* de nanoscale - een essentieel onderscheid dat leidde tot onze scanning probe thermometrie benadering."

Hoe Scanning Probe Thermometrie Werkt

Traditionele temperatuurmetingen omvatten het brengen van een thermometer in thermisch contact met een monster, wat toelaat te equilibreren. Terwijl dit op macroscale werkt, faalt het op de nanoscale waar de probe niet kan equilibreren zonder het monster te perturberen - denk aan het proberen de temperatuur van een virus te meten met een conventionele thermometer.

IBM's oplossing is een non-equilibrium, single-scan techniek die twee gelijktijdige signalen vastlegt: de warmtevloei in de probe en de weerstand tegen warmtestroom. Door deze metingen te combineren, kwantificeert de methode de temperatuur van nanoscopische objecten accuraat.

Dr. Bernd Gotsmann legt uit: "Het is als een hete plaat aanraken en de temperatuur afleiden van de warmtevloei tussen uw hand en de plaat. De probe tip fungeert als de hand; het kennen van de warmteweerstand is essentieel voor een accurate schatting."

Het team valideerde de techniek op een indium arsenide (InAs) nanodraad en een zelf-verwarmde gouden interconnect, bereikend spatiale resolutie van een paar nanometer en temperatuurresolutie van een paar millikelvin.

Toepassingen en Impact

Menges benadrukt dat de scanner niet alleen accuraat is, maar ook gebruiksvriendelijk, simpel te bouwen en veelzijdig. Het kan temperatuur hotspots meten in nano- en micro-apparaten, wat materiaaleigenschappen beïnvloedt en reacties stoot in transistors, geheugencellen, thermo-elektrische converters en plasmonische structuren.

Noise-Free Labs

Ontwikkeling van de thermometer versnelde nadat het team verhuisde naar de Noise Free Labs - zes meter ondergronds in het Binnig en Rohrer Nanotechnologie Centrum. Deze omgeving elimineert trillingen, akoestische ruis, elektromagnetische interferentie en temperatuurschommelingen, wat sub-millikelvin precisie mogelijk maakt.

"Zelfs buiten deze gecontroleerde setting levert de techniek betrouwbare resultaten," zegt Menges.

Toekomstperspectief

Gotsmann uit drukt optimisme uit: "Wij anticiperen dat dit werk opwinding en verlichting zal ontbranden onder onderzoekers die zo'n tool zoeken. Zoals de STM, hopen we de technologie te licentiëren aan fabrikanten, integrerend het in next-generation microscopie suites."

De wetenschappers erkennen steun van het 7th Program Framework onder het NANOHEAT project en de Swiss National Science Foundation.