Znanstveniki izumijo termometer za nanometer

Celsius Didn't Invent Celsius (Julij 2019).

Anonim

IBM-ov laboratorij, ki je odgovoren za izumljanje skenirnega tunelskega mikroskopa in atomskega sila, je izumil še eno kritično orodje, ki nam pomaga razumeti nanoworld.

Natančno merjenje temperature predmetov na nanosu je že desetletja zahtevalo znanstvenike. Trenutne tehnike niso točne in običajno ustvarjajo artefakte, kar omejuje njihovo zanesljivost.

Z motivom tega izziva in njihovo potrebo po natančni karakterizaciji temperature novih tranzistorskih modelov, da bi zadostili potrebam prihodnjih kognitivnih računalnikov, so znanstveniki iz Švice, IBM in ETH Zurich, izumili metodo preboj za merjenje temperature nano- in makro velikih predmetov. Patentni izum se prvič razkrije danes v reviji revije peer review Nature Communications, "Temperaturno kartiranje operacijskih nanometričnih naprav s skeniranjem sonde termometrije."

Zgodovina izuma

V 80-ih letih so IBM-ovi znanstveniki Gerd Binnig in pozni Heinrich Rohrer želeli neposredno raziskati površinsko elektronsko strukturo in nepravilnosti. Instrument, ki so ga potrebovali za take meritve, še ni obstajal. Tako so naredili vse dobre znanstvenike: izumili so enega. Postalo je znano kot skenirni tunelski mikroskop (STM), ki je odprl vrata nanotehnologiji. Samo nekaj let kasneje je bil izum prepoznan z najvišjimi častmi, Nobelovo nagrado za fiziko leta 1986.

Več kot 30 let kasneje IBM-ovi znanstveniki še naprej sledijo stopinjam Binnig-a in Rohrerja in s svojim najnovejšim izumom.

Dr. Fabian Menges, IBM postdoc in soustanovitelj tehnike, je dejal: "Začeli smo se v letu 2010 in preprosto nikoli ne odnehali. Predhodne raziskave so bile osredotočene na nanometrski termometer, vendar bi morali izmisliti termometer za nanosno- pomembna razlika. Ta prilagoditev nas je pripeljala do razvoja tehnike, ki združuje lokalno termično zaznavanje z merilno sposobnostjo mikroskopa - to imenujemo termometrija sonde. "

Kako deluje: Termometrija senzorja

Najpogostejša tehnika za merjenje temperature na makroskopu je, da termometer prinese v toplotni stik z vzorcem. Tako deluje termometer mrzlice. Ko je pod naš jezik, se uravnava naša telesna temperatura, tako da lahko določimo našo temperaturo pri zdravih 37 stopinjah C. Na žalost je pri uporabi termometra za merjenje nanoskopskega predmeta nekoliko bolj zahtevno.

Na primer, nemogoče je uporabiti značilen termometer za merjenje temperature posameznega virusa. Velikost virusa je premajhen in termometer ne more izenačiti, ne da bi pri tem bistveno motil temperaturo virusa.

Da bi rešili ta izziv, so IBM-ovi znanstveniki razvili eno samo neenakomerno kontaktno termometrijo za merjenje temperature nanoskopskih predmetov z uporabo skenirne sonde.

Ker termometer senzorja in objekt ne morejo toplotno uravnotežiti na nanosu, se istočasno merita dva signala: majhen toplotni tok in njegova odpornost proti toku toplote. S kombiniranjem teh dveh signalov lahko temperaturo nanoskopskih predmetov količinsko opredelimo za natančen rezultat.

IBM znanstvenik dr. Bernd Gotsmann in soustanovitelj pojasnjuje: "Tehnika je podobna dotikanju vroče plošče in izhajanju temperature od zaznavanja toplotnega toka med lastnim telesom in toplotnim virom. V bistvu je konica sonde naša Naše zaznavanje vročih in hladnih lahko zelo koristno, da bi dobili idejo o temperaturi objekta, vendar je lahko tudi zavajajoče, če je odpornost na toplotni tok neznana. "

Prej znanstveniki niso bili natančno vključeni ta odporna odvisnost; ampak le merijo hitrost prenosa toplotne energije skozi površino, poznajo kot toplotni tok. V prispevku so avtorji vključili učinke lokalnih sprememb toplotne odpornosti pri merjenju temperature india arsenida (InAs) nanosov in samooskrčenega zlata med seboj s kombinacijo nekaj-miliKelvina in nekaj nanometrske prostorske ločljivosti.

Menges dodaja: "Ne samo, da je termometer senzorja natančen, ampak izpolnjuje trifecta za orodja: enostaven za uporabo, enostaven za gradnjo in zelo vsestranski, saj se lahko uporablja za merjenje temperature nano- in mikro-velikosti vroče točke, ki lahko lokalno vplivajo na fizikalne lastnosti materialov ali urejajo kemične reakcije v napravah, kot so tranzistorji, spominske celice, termoelektrične pretvornike energije ali plazmonske strukture. Aplikacije so neskončne. "

Noise Labs

Ni naključje, da je skupina začela videvati izboljšave v razvoju termometra za skeniranje sonde pred 18 meseci, ko so svoje raziskave raziskali v novih laboratorijih brez šuma, šest metrov pod zemljo, v Binnigu in Rohrerjevem nanotehnološkem centru v kampusu IBM Research- Zürich.

To edinstveno okolje, ki ščiti eksperimente zaradi vibracij, akustičnega hrupa, elektromagnetnih signalov in temperaturnih nihanj, je ekipi pomagalo doseči natančnost pod milim Kelvin.

"Medtem ko smo imeli koristi od tega edinstvenega prostora, lahko ta tehnika proizvede zanesljive rezultate v normalnem okolju", je dejal Menges.

Naslednji koraki

"Upamo, da bo papir ustvaril tako veliko navdušenja in olajšanja za znanstvenike, ki so kot mi, iskali takšno orodje, " je povedal Gotsmann. "Podobno kot STM, upamo, da bomo to tehniko dovolili proizvajalcem orodja, ki jih lahko nato prinesejo na trg kot dodatno funkcijo za svojo linijo izdelkov za mikroskopijo."

menu
menu