När enheterna fortsätter att krympa uppstår nya utmaningar i deras mätning och design. För enheter baserade på molekylära korsningar, där enskilda molekyler är bundna till metaller eller halvledare, har vi en mängd olika tekniker för att studera och karakterisera deras elektriska transportegenskaper. Däremot har det visat sig vara mer utmanande att undersöka de termiska transportegenskaperna för sådana korsningar på nanoskala, och många temperaturrelaterade kvantfenomen i dem är fortfarande dåligt förstådda.

I några studier lyckades forskare mäta de termiska transportegenskaperna i molekylära korsningar på nanoskala med hjälp av en teknik som kallas scanning termisk mikroskopi (SThM). Denna metod innebär att man sätter en mycket vass metallisk spets i kontakt med målmaterialet och flyttar denna spets över hela materialets yta. Spetsen, som värms upp bakifrån med hjälp av en laser, innehåller ett termoelement. Denna lilla enhet mäter temperaturskillnader, och genom att balansera uppvärmningen av spetsen som orsakas av lasern med spetsens kylning orsakad av värme som strömmar in i målprovet, blir det möjligt att mäta ett materials termiska transportegenskaper punkt för punkt.

I en nyligen publicerad studie publicerad i Journal of the American Chemical Society , rapporterade forskare från Tokyo Tech ett serendipitöst men ändå viktigt fynd när de använde SThM. Teamet använde en SThM-teknik för att mäta de termiska transportegenskaperna hos självmonterade monolager (SAM). Dessa prover innehöll alternerande ränder av vart och ett av de tre möjliga paren bland n-hexadekantiol, n-butantiol och bensentiol. Förutom att använda den standardkontaktbaserade SThM-metoden, försökte forskarna även använda en icke-kontaktregim, där spetsen på det skanande termiska mikroskopet hölls ovanför provet utan att röra det. Oväntat insåg de att den här icke-kontaktregimen hade en viss potential.

I kontakt SThM-regimen strömmar värme direkt från spetsen till provet. Däremot, i den kontaktfria SThM-regimen, sker den enda värmeöverföringen mellan spetsen och provet via värmestrålning. Som teamet lärde sig genom experiment, medan kontaktregimen är bäst för att visualisera de termiska transportegenskaperna, är icke-kontaktregimen mycket mer känslig för den faktiska längden på molekylerna som "sticker ut" från substratet. Således ger kombinationen av icke-kontakt och kontakt regimer ett helt nytt sätt att skapa topografiska och termiska transportbilder av ett prov samtidigt.

Dessutom har den kontaktfria metoden fördelar jämfört med andra väletablerade mikroskopitekniker, som docent Shintaro Fujii, huvudförfattare till artikeln, förklarar:"Beröringsfri SThM-metoden är helt oförstörande, till skillnad från andra tekniker som atomkraft. mikroskopi, som kräver kontakt mellan skanningsspetsen och provet och därmed har en mekanisk påverkan som kan skada mjuka organiska material."

Sammantaget kommer insikten från denna studie att bana väg för nya tekniska framsteg och en djupare förståelse av material på nanoskala. "Vårt arbete är inte bara det första att tillhandahålla termiska bilder av organiska SAM, utan tillhandahåller också en ny teknik för att undersöka värmetransportegenskaper, vilket kommer att vara avgörande för termisk hantering i olika typer av nanoenheter", avslutar Fujii.

Låt oss hoppas att detta arbete hjälper forskare att klargöra termiska fenomens många mysterier. + Utforska vidare

Forskare introducerar en ny väg till termiska mätningar med nanometerupplösning