Het begrijpen van de warmtestroom op nanoschaal is van cruciaal belang bij het ontwerp van geïntegreerde elektronische apparaten en bij de ontwikkeling van materialen voor thermische isolatie en terugwinning van thermo-elektrische energie. Hoewel er momenteel verschillende technieken beschikbaar zijn om warmtetransport over macroscopische afstanden te observeren, er is behoefte aan nieuwe methoden die de dynamiek van warmtestroom kunnen onthullen met een resolutie van nanometers.

Een CCNY-team onder leiding van natuurkundeprofessoren Carlos Meriles en Elisa Riedo rapporteerde onlangs over een veelzijdig platform voor thermische metingen op nanoschaal op basis van een combinatie van magnetische resonantie, en optische en atomaire krachtmicroscopie, in Natuurcommunicatie . hun papier, "Beeldvorming van thermische geleidbaarheid met resolutie op nanoschaal met behulp van een scanning-spinsonde, " is gebaseerd op een eenvoudig idee:dat een hete sonde in contact met een thermisch geleidend materiaal, zoals een metaal, koelt af doordat warmte van de sonde in het materiaal stroomt. Dit laatste wordt voorkomen, echter, als het monstermateriaal thermisch isolerend is, wat inhoudt dat men de thermische geleidbaarheid van het monster kan afleiden door de sondetemperatuur continu te bewaken.

Om dit idee op nanoschaal te implementeren, de onderzoekers gebruikten een thermische atoomkrachtmicroscoop, waarbij de cantilevertemperatuur kan worden aangepast via het aanleggen van een externe stroom. De AFM-cantilever herbergt een scherpe punt die contact maakt met het substraat op een kleine, gebied ter grootte van een nanometer. Om de punttemperatuur te meten, het CCNY-team bevestigde aan de punttop een diamanten nanokristal, wiens thermisch afhankelijke fluorescentie het in feite een kleine thermometer maakte. Vervolgens werden nanometer-opgeloste thermische geleidbaarheidskaarten verkregen terwijl de punt werd gescand over verschillende substraten met een heterogene samenstelling.

Het team verwacht meerdere toepassingen, variërend van fundamentele problemen van warmtestroom in nanostructuren en stralingswarmtetransport in nano-gaten, tot de karakterisering van materialen die heterogene faseovergangen ondergaan, tot het onderzoek van katalytische exotherme reacties. Hoewel in de huidige implementatie warmte van de AFM-tip in het monster stroomt, de techniek kan onmiddellijk worden aangepast om de lokale temperatuur in een hete, niet-uniform substraat zonder de noodzaak van een thermische cantilever.

"Deze vorm van scanthermometrie op nanoschaal kan een belangrijke rol spelen bij de karakterisering van de 'hot spots' die worden gevormd op de kruispunten van halfgeleiderheterostructuren, waarvan bekend is dat het van cruciaal belang is bij het genereren van warmte binnen geïntegreerde elektronische apparaten, ' zei Meriles.