IBM-Wissenschaftler messen Wärmeübertragung durch einzelne Atome

Schematische Darstellung der Messtechnik. Credit:Nature Nanotechnology

Heute veröffentlicht, haben IBM-Wissenschaftler mit einer Technik, die wie ein Trampolin aussieht, erstmals die Wärmeleitfähigkeit von metallischen Quantenpunktkontakten aus Gold bis auf Einzelatomebene bei Raumtemperatur gemessen.

Da alles in den Nanobereich skaliert, wird Wärme – genauer gesagt deren Verlust – zu einem Problem der Gerätezuverlässigkeit. Aus diesem Grund haben IBM-Wissenschaftler in Zürich und ETH-Studenten im vergangenen Jahr eine Technik veröffentlicht und patentiert, um die Temperatur dieser nanoskaligen Objekte bei und unter 10 Nanometern zu messen – eine bemerkenswerte Leistung. Sie nannten die neuartige Technik Rastersondenthermometrie (Video) und ermöglichten es Ingenieuren zum ersten Mal, den Wärmeverlust über einen Chip hinweg abzubilden und, was noch wichtiger ist, den Wärmeverlust bis auf die Ebene eines einzelnen Geräts und die Temperatur abzubilden Verteilungen.

Experimenteller Aufbau, der in der Arbeit verwendet wurde. (zum Vergrößern auf das Foto klicken)

Da die Größe elektronischer Geräte jedoch weiter schrumpft, werden 10 Nanometer sehr bald nicht mehr als „kleine Größe“ betrachtet. Noch kritischer wird es dann, die kleinstmögliche thermisch erfassbare Struktur zu testen. Zum Glück berichten dieselben Erfinder zur Erleichterung der Wissenschaftler, die an der Herausforderung der Wärmeableitung arbeiten, jetzt in der von Experten begutachteten Zeitschrift Nature Nanotechnology über einen neuen Durchbruch, um genau dies zu erreichen.

Die Autoren schreiben ihren Erfolg zwei Faktoren zu:einem mikroelektromechanischen System (MEMS) mit integriertem Thermosensor, das in einem vakuumbasierten Rastertunnelmikroskop (STM) betrieben wird, und einem extrem entkoppelten Labor Noise Free Lab, das von nahezu allem abgeschirmt ist Art der Störung, einschließlich des Erdmagnetfelds,  Mobilfunktürme und Vibrationen eines vorbeifahrenden Zuges.

Wie berichtet:

Das System kombiniert im Wesentlichen simultane Messungen von Wärme- und Ladungstransport, um die thermische und elektrische Leitfähigkeit von metallischen Kontakten zu extrahieren. Ähnlich wie bei anderen STM-Break-Junction-Aufbauten wird eine STM-Spitze verwendet, um Kontakte mit wenigen Atomen auf einem mit einer Metallschicht bedeckten Substrat zu bilden und zu unterbrechen. Hier ist jedoch die Bottom-Elektrode auf einem hängenden MEMS integriert, um sie thermisch vom Chip-Substrat zu isolieren.

IBM-Forscher Dr. Bernd Gotsmann im IBM Noise Free Labor, in dem diese Forschung durchgeführt wurde. Bildnachweis:Carl De Torres

„Die Eigenschaften der Wärmeleitung durch atomare Verbindungen müssen noch vollständig erforscht werden“, sagte Dr. Bernd Gotsmann, einer der Hauptautoren des Papiers. „Damit haben wir auch die Gültigkeit des Wiedemann-Franz-Gesetzes in Quantenpunktkontakten bewiesen, das ursprünglich vom ehemaligen IBM-Wissenschaftler Rolf Landauer vorhergesagt wurde.“

Neben der Messung der Wärmeleitfähigkeit in elektronischen Geräten glauben die Autoren, dass ihre Ergebnisse auch einige zusätzliche Anwendungen finden könnten.

Der IBM-Wissenschaftler und Hauptautor Nico Mosso erklärt:„Neben den Quantenpunktkontakten verschiedener Metalle wird die Technik es Wissenschaftlern auch ermöglichen, Wärme sogar in molekularen Geräten zu charakterisieren und zu kontrollieren. Das eröffnet wirklich viele Möglichkeiten und ermöglicht uns hoffentlich, in Zukunft mit Wärme zu spielen, wie wir es heute mit Strom tun.“

Wärmetransport durch Atomkontakte, Nico Mosso, Ute Drechsler, Fabian Menges, Peter Nirmalraj, Siegfried Karg, Heike Riel &Bernd Gotsmann,  doi:10.1038/nnano.2016.302

Die Forschung wurde teilweise von der Europäischen Kommission im Rahmen des H2020-Molesco-Projekts finanziert.

Facebook-Live-Event:Besuchen Sie Dr. Gotsmann am 10. April um 16:00 Uhr in Paris (10:00 Uhr New York) auf der Facebook-Seite von IBM Research, wo er Ihnen die Noise Free Labs von IBM zeigt, über seine Patente und Forschung spricht und Ihre Fragen beantwortet.

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