IBM-labbet som ansvarar för att uppfinna det skanande tunnelmikroskopet och atomkraftsmikroskopet har uppfunnit ytterligare ett viktigt verktyg för att hjälpa oss förstå nanovärlden.

Att noggrant mäta temperaturen på föremål på nanoskala har utmanat forskare i årtionden. Nuvarande tekniker är inte korrekta och de genererar vanligtvis artefakter, begränsar deras tillförlitlighet.

Motiverade av denna utmaning och deras behov av att exakt karakterisera temperaturen på nya transistordesigner för att möta efterfrågan från framtida kognitiva datorer, forskare i Schweiz från IBM och ETH Zürich har uppfunnit en banbrytande teknik för att mäta temperaturen på objekt i nano- och makrostorlek. Den patentsökta uppfinningen avslöjas för första gången i dag i tidskriften peer-review Naturkommunikation , "Temperaturkartläggning av enheter i nanoskala genom att avsöka sondtermometri."

En uppfinningshistoria

På 1980-talet IBM-forskarna Gerd Binnig och den avlidne Heinrich Rohrer ville direkt utforska en ytas elektroniska struktur och brister. Instrumentet de behövde för att göra sådana mätningar fanns inte, än. Så de gjorde vad vilken bra vetenskapsman som helst skulle göra:de uppfann en. Det blev känt som scanning tunneling microscope (STM), öppna dörren till nanoteknik. Bara några år senare, uppfinningen erkändes med högsta utmärkelse, Nobelpriset i fysik 1986.

Mer än 30 år senare fortsätter IBM-forskare att följa i Binnigs och Rohrers fotspår och med deras senaste uppfinning.

Dr Fabian Menges, en IBM postdoc och meduppfinnare av tekniken sa, "Vi började redan 2010 och gav helt enkelt aldrig upp. Tidigare forskning var fokuserad på en termometer i nanoskala, men vi borde ha uppfunnit en termometer för nanoskalan – en viktig distinktion. Denna justering ledde till att vi utvecklade en teknik som kombinerar lokal termisk avkänning med mätförmågan hos ett mikroskop – vi kallar det scanning sond termometri."

Så fungerar det:En skanningssondtermometri

Den vanligaste tekniken för att mäta temperatur på makroskalan är att bringa en termometer i termisk kontakt med provet. Så här fungerar en febertermometer. När den väl har placerats under vår tunga kommer den i jämvikt med vår kroppstemperatur så att vi kan bestämma vår temperatur vid 37 grader C. Tyvärr, det blir lite mer utmanande när man använder en termometer för att mäta ett nanoskopiskt föremål.

Till exempel, det skulle vara omöjligt att använda en typisk termometer för att mäta temperaturen på ett enskilt virus. Virusets storlek är för liten och termometern kan inte utjämnas utan att avsevärt störa virustemperaturen.

För att lösa denna utmaning, Forskare från IBM utvecklade en kontakttermometriteknik för enstaka skanning utan jämvikt för att mäta temperaturen på nanoskopiska föremål med hjälp av en skanningssond.

Eftersom skanningssondtermometern och objektet inte kan termiskt utjämnas på nanoskala, två signaler mäts samtidigt:ett litet värmeflöde, och dess motstånd mot värmeflöde. Genom att kombinera dessa två signaler kan temperaturen hos nanoskopiska föremål sedan kvantifieras för ett exakt resultat.

IBM-forskaren Dr Bernd Gotsmann och meduppfinnare förklarar, "Tekniken är analog med att röra vid en värmeplatta och härleda dess temperatur från att känna av värmeflödet mellan vår egen kropp och värmekällan. spetsen på sonden är vår hand. Vår uppfattning om varmt och kallt kan vara till stor hjälp för att få en uppfattning om ett objekts temperatur, men det kan också vara missvisande om motståndet mot värmeflöde är okänt."

Tidigare, forskare inkluderade inte exakt detta motståndsberoende; men bara mäter hastigheten för den termiska energiöverföringen genom ytan, kallas värmeflöde. I tidningen,  författarna inkluderade effekterna av lokala variationer av termiskt motstånd för att mäta temperaturen på en indiumarsenid (InAs) nanotråd, och en självuppvärmd guld-interconnect med en kombination av några miliKelvin och några nanometer rumslig upplösning.

Menges tillägger, "Inte bara är scanningssondens termometer korrekt, den uppfyller trifecta för verktyg:den är lätt att använda, enkel att bygga, och mycket mångsidig, genom att den kan användas för att mäta temperaturen på nano- och mikrostora hot spots som lokalt kan påverka de fysikaliska egenskaperna hos material eller styra kemiska reaktioner i enheter som transistorer, minnesceller, termoelektriska energiomvandlare eller plasmoniska strukturer. Ansökningarna är oändliga."

Bullerfria labb

Det är ingen slump att teamet började se förbättringar i utvecklingen av skanningssondtermometern för 18 månader sedan när de flyttade sin forskning till de nya Noise Free Labs – sex meter under jorden vid Binnig och Rohrer Nanotechnology Center på IBM Researchs campus. Zürich.

Denna unika miljö, som skyddar experimenten från vibrationer, akustiskt ljud, elektromagnetiska signaler och temperaturfluktuationer, hjälpte teamet att uppnå sub-milliKelvin precision.

"Medan vi hade fördelen av detta unika rum, tekniken kan också ge tillförlitliga resultat i normal miljö, sa Menges.

Nästa steg

"Vi hoppas att tidningen kommer att skapa både mycket spänning och lättnad för forskare, som gillar oss, har letat efter ett sådant verktyg, sade Gotsmann. Liksom STM, Vi hoppas kunna licensiera denna teknik till verktygstillverkare som sedan kan lansera den på marknaden som en extra funktion till deras mikroskopiproduktlinje."