IBM-Wissenschaftler erfinden ein Thermometer für die Nanoskala

Das IBM-Labor, das für die Erfindung des Rastertunnelmikroskops und des Rasterkraftmikroskops verantwortlich ist, hat ein weiteres wichtiges Werkzeug erfunden, das uns hilft, die Nanoskala zu verstehen.

Die genaue Messung der Temperatur von Objekten im Nanobereich stellt Wissenschaftler seit Jahrzehnten vor eine Herausforderung. Aktuelle Techniken sind nicht genau und erzeugen typischerweise Artefakte, die ihre Zuverlässigkeit einschränken.

Motiviert durch diese Herausforderung und ihre Notwendigkeit, die Temperatur neuer Transistordesigns genau zu charakterisieren, um die Anforderungen zukünftiger kognitiver Computer zu erfüllen, haben Wissenschaftler von IBM und der ETH Zürich in der Schweiz eine bahnbrechende Technik zur Messung der Temperatur von nano- und makrogrossen Objekten erfunden . Die zum Patent angemeldete Erfindung wird heute zum ersten Mal im Peer-Review-Journal Nature Communications, Temperature Mapping of Operating Nanoscale Devices by Scanning Probe Thermometry ( doi:10.1038/ncomms10874)

Eine Geschichte der Erfindung

In den 1980er Jahren wollten die IBM-Wissenschaftler Gerd Binnig und der verstorbene Heinrich Rohrer die elektronische Struktur und Unvollkommenheiten einer Oberfläche direkt erforschen. Das Instrument, das sie für solche Messungen brauchten, existierte noch nicht. Also taten sie, was jeder gute Wissenschaftler tun würde:Sie erfanden einen. Es wurde als Rastertunnelmikroskop (STM) bekannt und öffnete die Tür zur Nanotechnologie. Nur wenige Jahre später wurde die Erfindung mit der höchsten Auszeichnung, dem Nobelpreis für Physik 1986, gewürdigt.

Mehr als 30 Jahre später treten IBM-Wissenschaftler mit ihrer neuesten Erfindung in die Fußstapfen von Binnig und Rohrer.

Dr. Fabian Menges, Postdoc bei IBM und Miterfinder der Technik, sagte:„Wir haben 2010 angefangen und einfach nie aufgegeben. Frühere Forschungen konzentrierten sich auf ein Nanometer-Thermometer, aber wir hätten ein Nanometer-Thermometer erfinden sollen – ein wichtiger Unterschied. Diese Anpassung führte uns dazu, eine Technik zu entwickeln, die die lokale thermische Erfassung mit der Messfähigkeit eines Mikroskops kombiniert – wir nennen es Rastersonden-Thermometrie.“

IBM-Wissenschaftler Fabian Menges mit seiner Erfindung.

So funktioniert es:Eine Rastersonden-Thermometrie

Die gebräuchlichste Methode zur Temperaturmessung auf der Makroskala besteht darin, ein Thermometer in thermischen Kontakt mit der Probe zu bringen. So funktioniert ein Fieberthermometer. Sobald es unter unsere Zunge gelegt wird, gleicht es sich unserer Körpertemperatur an, sodass wir unsere Temperatur auf gesunde 37 °C bestimmen können. Leider wird es etwas schwieriger, wenn man ein Thermometer verwendet, um ein nanoskopisches Objekt zu messen.

Es wäre beispielsweise unmöglich, mit einem typischen Thermometer die Temperatur eines einzelnen Virus zu messen. Die Größe des Virus ist zu klein und das Thermometer kann sich nicht ausgleichen, ohne die Virustemperatur erheblich zu stören.

Um diese Herausforderung zu lösen, entwickelten IBM-Wissenschaftler eine Einzelscan-Nichtgleichgewichts-Kontaktthermometrietechnik, um die Temperatur von nanoskopischen Objekten mit einer Scanning-Sonde zu messen.

Da sich das Rastersondenthermometer und das Objekt auf der Nanoskala nicht thermisch ausgleichen können, werden zwei Signale gleichzeitig gemessen:ein kleiner Wärmestrom und sein Widerstand gegen den Wärmefluss. Durch die Kombination dieser beiden Signale kann die Temperatur nanoskopischer Objekte dann für ein genaues Ergebnis quantifiziert werden.

Der IBM-Wissenschaftler Dr. Bernd Gotsmann und Miterfinder erklärt:„Die Technik ist vergleichbar mit dem Berühren einer Kochplatte und der Ableitung ihrer Temperatur aus der Messung des Wärmeflusses zwischen unserem eigenen Körper und der Wärmequelle. Im Wesentlichen ist die Spitze der Sonde unsere Hand. Unsere Wahrnehmung von Hitze und Kälte kann sehr hilfreich sein, um eine Vorstellung von der Temperatur eines Objekts zu bekommen, aber es kann auch irreführend sein, wenn der Widerstand gegen den Wärmefluss unbekannt ist.“

Zuvor haben Wissenschaftler diese Resistenzabhängigkeit nicht genau berücksichtigt; aber nur die Geschwindigkeit des Wärmeenergietransfers durch die Oberfläche zu messen, bekannt als Wärmefluss. In die Veröffentlichung haben die Autoren die Auswirkungen lokaler Variationen des Wärmewiderstands aufgenommen, um die Temperatur eines Indiumarsenid (InAs)-Nanodrahts und einer selbsterhitzten Goldverbindung mit einer Kombination aus einer räumlichen Auflösung von wenigen Millikelvin und wenigen Nanometern zu messen.

Menges fügt hinzu:„Das Rastersonden-Thermometer ist nicht nur genau, es erfüllt auch die trifecta für Werkzeuge:Es ist einfach zu bedienen, einfach zu bauen und sehr vielseitig, da es zur Temperaturmessung von Nano- und Mikrometern verwendet werden kann Hot Spots, die lokal die physikalischen Eigenschaften von Materialien beeinflussen oder chemische Reaktionen in Geräten wie Transistoren, Speicherzellen, thermoelektrischen Energiewandlern oder plasmonischen Strukturen steuern können. Die Anwendungen sind endlos.“

Von links nach rechts IBM-Wissenschaftler Nico Mosso, Bernd Gotsmann, Fabian Motzfeld und Fabian Menges im Noise Free Lab.

Lärmfreie Labs

Es ist kein Zufall, dass das Team vor 18 Monaten Verbesserungen in der Entwicklung des Rastersonden-Thermometers sah, als es seine Forschung in die neuen Noise Free Labs verlegte – sechs Meter unter der Erde im Binnig and Rohrer Nanotechnology Center auf dem Campus von IBM Research. Zürich.

Diese einzigartige Umgebung, die die Experimente vor Vibrationen, akustischem Rauschen, elektromagnetischen Signalen und Temperaturschwankungen abschirmt, half dem Team, eine Präzision im Submillimeterbereich zu erreichen.

„Obwohl wir den Vorteil dieses einzigartigen Raums hatten, kann die Technik auch in einer normalen Umgebung zuverlässige Ergebnisse liefern“, sagte Menges.

Nächste Schritte

„Wir hoffen, dass das Papier den Wissenschaftlern, die wie wir nach einem solchen Werkzeug gesucht haben, sowohl viel Aufregung als auch Erleichterung bereiten wird“, sagte Gotsmann. „Ähnlich wie beim STM hoffen wir, diese Technik an Werkzeughersteller zu lizenzieren, die sie dann als zusätzliche Funktion ihrer Mikroskopie-Produktlinie auf den Markt bringen können.“

Die Wissenschaftler danken dem 7. Programmrahmen für seine Unterstützung im Rahmen des NANOHEAT-Projekts und des Schweizerischen Nationalfonds.