IBM Wissenschaftler Messen Thermische Leitfähigkeit Einzelatomarer Goldkontakte Bei Raumtemperatur

Heute veröffentlicht, haben IBM-Forscher in Zürich erstmals die thermische Leitfähigkeit metallischer Quantenpunktkontakte aus Gold bis hin zu einem einzelnen Atom bei Raumtemperatur quantifiziert.

Da Devices zur Nanoskala schrumpfen, wird Wärmeableitung zum kritischen Reliabilitätsfaktor. Letztes Jahr pionierten IBM-Wissenschaftler in Zürich und ETH Zürich Studenten eine Rastertast-Thermometrie-Technik (Video), die Temperaturen von Strukturen so klein wie 10 nm messen kann. Dieser Durchbruch erlaubte Ingenieuren, Wärmeverlust über einen Chip – und entscheidend bis hin zu einzelnen Devices – zu mappen und lieferte beispiellose Einblicke in Temperaturverteilungen.

Schematische Darstellung der Messtechnik. Credit: Nature Nanotechnology

Da elektronische Komponenten dem 10-nm-Schwellenwert nahekommen und schließlich darunter fallen, wird Bestimmung der kleinsten thermisch detektierbaren Struktur essenziell. Um dies zu adressieren, berichtet dasselbe Team einen neuen Durchbruch in Nature Nanotechnology.

Die Autoren führen ihren Erfolg auf zwei Schlüsselinnovationen zurück: Ein Mikro-Elektromechanisches System (MEMS) mit integriertem thermischem Sensor, operiert innerhalb eines Vakuum-basierten Rastertunnelmikroskops (STM), und ein ultra-leises „Noise Free Lab“, das das Experiment vor Magnetfeldern, Handy-Masten und sogar vorbeifahrenden Zügen schützt.

Wie im Paper beschrieben:

Das System kombiniert simultane Messungen von Wärme- und Ladungstransport, um thermische und elektrische Leitfähigkeit metallischer Kontakte zu extrahieren. Wie andere STM Break-Junction Setups formt und bricht eine STM-Spitze Few-Atom-Kontakte auf einem Substrat, bedeckt von einer metallischen Schicht. Hier ist die Bottom-Elektrode auf einem suspendierten MEMS integriert, thermisch isolierend sie vom Chip-Substrat.

IBM Forscher Dr. Bernd Gotsmann im IBM Noise Free Lab, wo diese Forschung durchgeführt wurde. Photo credit: Carl De Torres

„Die Eigenschaften von Wärmeleitung durch atomare Junctions blieben weitgehend unerforscht“, sagte Dr. Bernd Gotsmann, Lead Author. „Unsere Messungen bestätigen auch das Wiedemann-Franz-Gesetz in Quantenpunktkontakten, eine Vorhersage, ursprünglich gemacht von ehemaligem IBM-Wissenschaftler Rolf Landauer.“

Jenseits Messung thermischer Leitfähigkeit in elektronischen Devices sehen die Autoren breitere Applikationen. „Diese Technik wird Wissenschaftlern ermöglichen, Wärme sogar in molekularen Devices zu charakterisieren und zu kontrollieren“, erklärte Lead Author Nico Mosso. „Sie eröffnet Möglichkeiten, Heat so bereitwillig zu manipulieren wie wir es mit Elektrizität tun.“

Heat transport through atomic contacts, Nico Mosso, Ute Drechsler, Fabian Menges, Peter Nirmalraj, Siegfried Karg, Heike Riel & Bernd Gotsmann, doi:10.1038/nnano.2016.302

Die Forschung wurde teilweise gefördert von der Europäischen Kommission unter dem H2020 Molesco Projekt.

Facebook Live Event: Join Dr. Gotsmann am 10. April um 16 Uhr Paris (10 Uhr New York) auf der IBM Research Facebook Seite, wo er IBMs Noise Free Labs showcase, über seine Patente und Forschung diskutiert und Ihre Fragen beantwortet.

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