Naarmate apparaten blijven krimpen, dienen zich nieuwe uitdagingen in hun meting en ontwerp aan. Voor apparaten op basis van moleculaire knooppunten, waarin afzonderlijke moleculen zijn gebonden aan metalen of halfgeleiders, hebben we verschillende technieken om hun elektrische transporteigenschappen te bestuderen en te karakteriseren. Daarentegen is het onderzoeken van de thermische transporteigenschappen van dergelijke knooppunten op nanoschaal een grotere uitdaging gebleken, en veel temperatuurgerelateerde kwantumverschijnselen daarin blijven slecht begrepen.

In een paar onderzoeken zijn wetenschappers erin geslaagd om de thermische transporteigenschappen in moleculaire knooppunten op nanoschaal te meten met behulp van een techniek die scanning thermische microscopie (SThM) wordt genoemd. Bij deze methode wordt een zeer scherpe metalen punt in contact gebracht met het doelmateriaal en wordt deze punt over het oppervlak van het materiaal verplaatst. De tip, die van achteren wordt verwarmd met behulp van een laser, bevat een thermokoppel. Dit kleine apparaat meet temperatuurverschillen, en dus door de verwarming van de punt veroorzaakt door de laser in evenwicht te brengen met de koeling van de punt veroorzaakt door warmte die in het doelmonster stroomt, wordt het mogelijk om de thermische transportkarakteristieken van een materiaal punt voor punt te meten.

In een recente studie gepubliceerd in Journal of the American Chemical Society , rapporteerden wetenschappers van Tokyo Tech een toevallige maar belangrijke bevinding tijdens het gebruik van SThM. Het team gebruikte een SThM-techniek om de thermische transporteigenschappen van zelf-geassembleerde monolagen (SAM's) te meten. Deze monsters bevatten afwisselende strepen van elk van de drie mogelijke paren van n-hexadecaanthiol, n-butaanthiol en benzenethiol. Naast het gebruik van de standaard contactgebaseerde SThM-aanpak, probeerden de onderzoekers ook een contactloos regime te gebruiken, waarbij de punt van de scanning thermische microscoop boven het monster werd gehouden zonder het aan te raken. Onverwacht realiseerden ze zich dat dit contactloze regime een serieus potentieel had.

In het contact SThM-regime stroomt warmte rechtstreeks van de punt naar het monster. Daarentegen vindt in het contactloze SThM-regime de enige warmteoverdracht tussen de punt en het monster plaats via warmtestraling. Zoals het team door experimenten heeft geleerd, is het contactregime het beste voor het visualiseren van de thermische transportkenmerken, maar het contactloze regime is veel gevoeliger voor de werkelijke lengte van de moleculen die uit het substraat "uitsteken". De combinatie van contactloze en contactregimes biedt dus een geheel nieuwe manier om gelijktijdig topografische en thermische transportbeelden van een monster te maken.

Bovendien heeft de contactloze benadering voordelen ten opzichte van andere gevestigde microscopietechnieken, zoals universitair hoofddocent Shintaro Fujii, hoofdauteur van het artikel, uitlegt:"De contactloze SThM-benadering is volledig niet-destructief, in tegenstelling tot andere technieken zoals atoomkracht microscopie, waarbij contact tussen de scantip en het monster nodig is en dus een mechanische impact heeft die zachte organische materialen kan beschadigen."

Over het algemeen zal het inzicht dat door deze studie wordt verschaft de weg vrijmaken voor nieuwe technologische vooruitgang en een dieper begrip van materialen op nanoschaal. "Ons werk is niet alleen het eerste dat thermische beelden van organische SAM's levert, maar biedt ook een nieuwe techniek voor het onderzoeken van thermische transporteigenschappen, wat essentieel zal zijn voor thermisch beheer in verschillende soorten nanodevices", besluit Fujii.

Laten we hopen dat dit werk wetenschappers helpt de vele mysteries van thermische verschijnselen op te helderen. + Verder verkennen

Onderzoekers introduceren nieuwe route naar thermische metingen met nanometerresolutie