Förstå nanoskala värmeflöde är avgörande för design av integrerade elektroniska enheter och i utvecklingen av material för värmeisolering och termoelektrisk energiåtervinning. Medan flera tekniker för närvarande finns tillgängliga för att observera värmetransport över makroskopiska avstånd, det finns ett behov av nya metoder som kan avslöja dynamiken i värmeflöde med nanometerupplösning.
Ett CCNY -team ledt av fysikprofessorerna Carlos Meriles och Elisa Riedo rapporterade nyligen om en mångsidig plattform för nanoskala termiska mätningar baserat på en kombination av magnetisk resonans, och optisk och atomkraftsmikroskopi, i Naturkommunikation . Deras papper, "Avbildning av värmeledningsförmåga med nanoskalaupplösning med hjälp av en skanningsspinnprob, " bygger på en enkel föreställning:att en het sond i kontakt med ett värmeledande material, som en metall, svalnar eftersom värme strömmar från sonden in i materialet. Det senare förhindras, dock, om provmaterialet är värmeisolerande, vilket innebär att man kan utläsa provets värmeledningsförmåga genom att kontinuerligt övervaka sondtemperaturen.
För att implementera denna idé i nanoskala, forskarna använde ett termiskt atomkraftmikroskop, där fribärningstemperaturen kan justeras via applicering av en extern ström. AFM-konsolen har en vass spets som kommer i kontakt med underlaget på en liten, nanometerstor yta. För att mäta spetsens temperatur, CCNY-teamet fäste en diamant nanokristall på spetsen, vars termiskt beroende fluorescens effektivt gjorde den till en liten termometer. Nanometerupplösta värmekonduktivitetskartor erhölls sedan när spetsen skannades över olika substrat med heterogen komposition.
Teamet förutser flera tillämpningar, allt från grundläggande problem med värmeflöde i nanostrukturer och strålningsvärmetransport i nano-gap, till karakterisering av material som genomgår heterogena fasövergångar, till undersökning av katalytiska exotermiska reaktioner. Även om i den nuvarande implementeringen värme strömmar från AFM-spetsen in i provet, tekniken kan omedelbart anpassas för att undersöka den lokala temperaturen i en varm, ojämnt underlag utan behov av en termisk fribärare.
"Denna form av skanningstermometri i nanoskala kan spela en viktig roll i karakteriseringen av de "hot spots" som bildas vid förbindelserna mellan halvledarheterostrukturer, kända för att vara kritiska för att generera värme i integrerade elektroniska enheter, sa Meriles.
