Het IBM-lab dat verantwoordelijk is voor de uitvinder van de scanning tunneling-microscoop en de atomic force-microscoop, heeft een ander cruciaal hulpmiddel uitgevonden om ons te helpen de nanowereld 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, hun betrouwbaarheid beperken.

Gemotiveerd door deze uitdaging en hun behoefte om de temperatuur van nieuwe transistorontwerpen nauwkeurig te karakteriseren om te voldoen aan de vraag van toekomstige cognitieve computers, wetenschappers in Zwitserland van IBM en ETH Zürich hebben 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-reviewtijdschrift Natuurcommunicatie , "Temperatuurkartering van werkende apparaten op nanoschaal door sondethermometrie te scannen."

Een geschiedenis van uitvindingen

In 1980, IBM-wetenschappers Gerd Binnig en wijlen Heinrich Rohrer wilden de elektronische structuur en onvolkomenheden van een oppervlak rechtstreeks onderzoeken. Het instrument dat ze nodig hadden om zulke metingen te doen, bestond niet, nog. Dus deden ze wat elke goede wetenschapper zou doen:ze vonden er een uit. Het werd bekend als de scanning tunneling microscope (STM), het openen van de deur naar nanotechnologie. Slechts een paar jaar later, de uitvinding werd met de hoogste eer 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."

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 kunnen bepalen bij een gezonde 37 graden C. Helaas, het wordt een beetje uitdagender als je een thermometer gebruikt om een ​​nanoscopisch object te meten.

Bijvoorbeeld, het zou 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 aanzienlijk te verstoren.

Om deze uitdaging op te lossen, IBM-wetenschappers ontwikkelden een niet-evenwichtige contactthermometrietechniek met een enkele scan om de temperatuur van nanoscopische objecten te meten met behulp van een scansonde.

Omdat de scanningsondethermometer en het object niet thermisch kunnen equilibreren op nanoschaal, gelijktijdig worden twee signalen gemeten:een kleine warmtestroom, en zijn 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, de punt van de sonde is onze hand. Onze perceptie van warm en koud kan erg 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, wetenschappers hebben deze weerstandsafhankelijkheid niet nauwkeurig opgenomen; maar alleen de snelheid van de thermische energieoverdracht door het oppervlak meten, bekend als warmteflux. In de krant, de auteurs omvatten de effecten 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 eraan toe, "Niet alleen is de scanningsondethermometer nauwkeurig, het voldoet aan de trifecta voor gereedschap:het is eenvoudig te bedienen, eenvoudig te bouwen, en zeer veelzijdig, omdat het kan worden gebruikt om de temperatuur te meten van hotspots van nano- en microformaat die lokaal de fysieke eigenschappen van materialen kunnen beïnvloeden of chemische reacties in apparaten zoals transistors kunnen regelen, geheugencellen, thermo-elektrische energieomzetters of plasmonische structuren. De toepassingen zijn eindeloos."

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 beschermt tegen trillingen, akoestische ruis, elektromagnetische signalen en temperatuurschommelingen, hielp het team sub-milliKelvin-precisie te bereiken.

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

Volgende stappen

"We hopen dat de paper zowel veel opwinding als opluchting zal opleveren voor wetenschappers, die van ons houden, ben op zoek naar zo'n tool, "zei Gotsmann. "Vergelijkbaar met de STM, we hopen deze techniek in licentie te geven aan gereedschapsfabrikanten die het vervolgens op de markt kunnen brengen als een extra functie voor hun microscopieproductlijn."