IBM-Ingenieure Entwickeln Nanomskaliges Thermometer Für Präzise Temperaturkartierung Quanten-Geräte

Das IBM-Labor, das das Rastertunnelmikroskop (STM) und das Rasterkraftmikroskop (AFM) pionierte, hat ein neues, unverzichtbares Werkzeug für nanoskalige Forschung eingeführt: ein Rastertast-Thermometer, das Temperaturen mit Millikelvin-Präzision messen kann.

Die genaue Temperaturbestimmung von Objekten im Nanometerskalenbereich stellt seit langem eine Herausforderung dar. Bestehende Methoden sind entweder ungenau oder führen Messartefakte ein, die die Zuverlässigkeit beeinträchtigen.

Motiviert durch den Bedarf, Next-Gen-Transistor-Designs für Cognitive Computing zu charakterisieren, enthüllten IBM-Wissenschaftler in der Schweiz, in Kooperation mit ETH Zürich, eine bahnbrechende Technik. Die patentanmeldende Erfindung ist im peer-reviewten Journal Nature Communications unter dem Titel „Temperature mapping of operating nanoscale devices by scanning probe thermometry“ beschrieben.

Innovationsgeschichte

In den 1980ern erkannten IBM-Forscher Gerd Binnig und der spätere Heinrich Rohrer, dass bestehende Instrumente die elektronische Struktur einer Oberfläche nicht direkt sondieren konnten. Sie erfanden das STM, eine Entscheidung, die ihnen 1986 den Nobelpreis für Physik einbrachte und das Feld der Nanotechnologie eröffnete.

Jetzt, mehr als drei Jahrzehnte später, folgen IBM-Wissenschaftler diesem Pioniergeist mit einem Thermometer für die Nanoskala.

Dr. Fabian Menges, IBM-Postdoc und Co-Erfinder, bemerkt: „Wir begannen 2010 und blieben unerbittlich. Frühere Arbeit fokussierte auf ein nanoskaliges Thermometer, aber wir re-envisionierten es als Thermometer für die Nanoskala – eine essenzielle Unterscheidung, die zu unserem Rastertast-Thermometrie-Ansatz führte.“

Funktionsweise Der Rastertast-Thermometrie

Traditionelle Temperaturmessungen bringen ein Thermometer in thermischen Kontakt mit der Probe und lassen es equilibrieren. Während dies im Makrobereich funktioniert, versagt es im Nanobereich, wo die Sonde nicht equilibrieren kann, ohne die Probe zu stören – denken Sie an den Versuch, die Temperatur eines Virus mit einem konventionellen Thermometer zu messen.

IBMs Lösung ist eine Nicht-Gleichgewichts-Single-Scan-Technik, die zwei simultane Signale erfasst: den Wärmefluss in die Sonde und den Widerstand gegen Wärmefluss. Durch Kombination dieser Messungen quantifiziert die Methode die Temperatur nanoskopischer Objekte präzise.

Dr. Bernd Gotsmann erklärt: „Es ist wie das Berühren einer heißen Platte und das Schließen auf deren Temperatur aus dem Wärmefluss zwischen Hand und Platte. Die Sondenspitze fungiert als Hand; das Wissen um den Wärmewiderstand ist essenziell für eine genaue Schätzung.“

Das Team validierte die Technik an einem Indiumarsenid-Nanodraht (InAs) und einer selbstgeheizten Gold-Interconnect und erreichte räumliche Auflösung von wenigen Nanometern und Temperaturauflösung von wenigen Millikelvin.

Anwendungen Und Impact

Menges hebt hervor, dass der Scanner nicht nur präzise, sondern auch benutzerfreundlich, einfach zu bauen und vielseitig ist. Er kann Temperatur-Hotspots in Nano- und Mikrogeräten messen, Materialeigenschaften beeinflussen und Reaktionen in Transistoren, Speicherzellen, thermoelektrischen Wandlern und plasmonischen Strukturen leiten.

Noise-Free Labs

Die Thermometer-Entwicklung beschleunigte sich, nachdem das Team in die Noise Free Labs – sechs Meter unterirdisch im Binnig and Rohrer Nanotechnology Center – umzog. Diese Umgebung eliminiert Vibrationen, akustisches Rauschen, elektromagnetische Störungen und Temperaturschwankungen und ermöglicht Sub-Millikelvin-Präzision.

„Selbst außerhalb dieser kontrollierten Umgebung liefert die Technik verlässliche Ergebnisse“, sagt Menges.

Zukunftsausblick

Gotsmann äußert Optimismus: „Wir erwarten, dass diese Arbeit Begeisterung und Erleichterung bei Forschern auslöst, die nach einem solchen Werkzeug suchen. Wie beim STM hoffen wir, die Technologie an Hersteller zu lizenzieren und in nächste-Generation-Mikroskopie-Suiten zu integrieren.“

Die Wissenschaftler danken für Unterstützung durch das 7. Rahmenprogramm unter dem NANOHEAT-Projekt und den Swiss National Science Foundation.