Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) och deras medarbetare har utvecklat en mikrometerbred termometer som är känslig för värme som genereras av optiska och elektronstrålar, och kan mäta små och snabba temperaturförändringar i realtid. Denna nya enhet kan användas för att utforska värmetransport på mikro- och nanovågar, och i experiment med optisk mikroskopi och synkrotronstrålning.

Det finns ett akut behov av en enhet som kan mäta termiskt beteende på nanoskala och i realtid, eftersom denna teknik kan tillämpas vid behandling av fototermisk cancer samt avancerad forskning om kristaller, skörd av optiskt ljus, etc. Dessutom, ett miniatyriserat termiskt mikroskopisystem med en nanoskala värmekälla och detektor är avgörande för framtida utveckling av nästa generations transistorer som kommer att användas vid design av nya nanoskala enheter.

Ett termoelement är en elektrisk anordning som består av två olika elektriska ledare som bildar elektriska övergångar vid olika temperaturer. Ett termoelement producerar en temperaturberoende spänning, som kan tolkas för att mäta temperatur. Mikro-termoelementet som nyligen utvecklats av forskare vid Tokyo Institute of Technology och deras medarbetare är av stor betydelse för forskare inom många områden. Denna enhet består av ett guld- och nickel -termoelement på ett kiselnitridmembran och miniatyriseras i den mån elektroderna bara är 2,5 μm breda och membranet bara 30 nm tjockt. För att ett sådant system ska användas som en termisk karakteriseringsanordning, d.v.s. en termometer, den måste visa känslighet för temperaturförändringar. Det utvecklade mikro-termoelementet uppvisade hög lyhördhet för värme som genereras av en laser och en elektronstråle. Viktigt, små temperaturförändringar mättes av det utvecklade termoelementet för båda typerna av uppvärmning.

En redan utvecklad miniatyriseringsprocess användes för att förbereda mikro-termoelementet, men kritiska förbättringar gjordes. I den etablerade metoden, ett tvärmönster av metallränder med några mikrometers bredd skapas, så att ett termoelement produceras. Forskarna vid Tokyo Institute of Technology och deras kollegor använde denna teknik för att skapa ett mönster på ett nanotunt kiselnitridmembran, vilket förbättrade enhetens känslighet och gjorde det möjligt att svara snabbare. Genom detta tillvägagångssätt, en termometer som kunde mäta snabba och små temperaturförändringar producerades framgångsrikt, med mätningarna utförda genom det nanotunna kiselnitridmembranet.

Som förklarats ovan, både en nanoskala värmekälla och en nanoskala detektor behövs för ett miniatyriserat termiskt mikroskopisystem. Dessa krav uppfyllde forskarna framgångsrikt, som använde det nanotunna membranet och en tätt fokuserad laser- eller elektronstråle för att skapa en värmekälla med en diameter mindre än 1 μm. Så, kombinerat med mikro-termoelementdetektorn, ett nanoskala termiskt mikroskopisystem uppnåddes. Detta system kan betraktas som en ny "verktygslåda" för att undersöka värmetransportbeteende på mikro- och nanovågor, med många viktiga tillämpningar inom ett brett spektrum av områden.