Ilmuwan IBM Menciptakan Termometer untuk Skala Nano

Laboratorium IBM yang bertanggung jawab untuk menemukan mikroskop tunneling pemindaian dan mikroskop kekuatan atom telah menemukan alat penting lainnya untuk membantu kita memahami skala nano.

Mengukur suhu objek secara akurat pada skala nano telah menantang para ilmuwan selama beberapa dekade. Teknik saat ini tidak akurat dan biasanya menghasilkan artefak, membatasi keandalannya.

Termotivasi oleh tantangan ini dan kebutuhan mereka untuk secara tepat mencirikan suhu desain transistor baru untuk memenuhi permintaan komputer kognitif masa depan, para ilmuwan di Swiss dari IBM dan ETH Zurich telah menemukan teknik terobosan untuk mengukur suhu objek berukuran nano dan makro. . Penemuan yang menunggu paten ini diungkapkan untuk pertama kalinya hari ini di jurnal peer-review Nature Communications, Pemetaan suhu perangkat skala nano yang beroperasi dengan memindai termometri probe ( doi:10.1038/ncomms10874)

Sejarah Penemuan

Pada 1980-an, ilmuwan IBM Gerd Binnig dan mendiang Heinrich Rohrer ingin langsung mengeksplorasi struktur elektronik dan ketidaksempurnaan permukaan. Instrumen yang mereka butuhkan untuk melakukan pengukuran seperti itu belum ada. Jadi mereka melakukan apa yang akan dilakukan oleh ilmuwan yang baik:mereka menemukan satu. Ini dikenal sebagai mikroskop tunneling pemindaian (STM), membuka pintu ke nanoteknologi. Hanya beberapa tahun kemudian, penemuan itu diakui dengan penghargaan tertinggi, Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1986.

Lebih dari 30 tahun kemudian para ilmuwan IBM terus mengikuti jejak Binnig dan Rohrer dan dengan penemuan terbaru mereka.

Dr. Fabian Menges, seorang post-doc IBM dan salah satu penemu teknik ini berkata, “Kami memulai kembali pada tahun 2010 dan tidak pernah menyerah. Penelitian sebelumnya difokuskan pada termometer skala nano, tetapi kita seharusnya menemukan termometer untuk skala nano — perbedaan penting. Penyesuaian ini mendorong kami untuk mengembangkan teknik yang menggabungkan penginderaan termal lokal dengan kemampuan pengukuran mikroskop — kami menyebutnya pemindaian termometri probe.”

Ilmuwan IBM Fabian Menges dengan penemuannya.

Cara Kerja:Termometri Probe Pemindaian

Teknik yang paling umum untuk mengukur suhu pada skala makro adalah membawa termometer ke dalam kontak termal dengan sampel. Beginilah cara kerja termometer demam. Setelah ditempatkan di bawah lidah kita, itu akan menyeimbangkan suhu tubuh kita sehingga kita dapat menentukan suhu kita pada 37 derajat C yang sehat. Sayangnya, itu menjadi sedikit lebih sulit saat menggunakan termometer untuk mengukur objek nanoscopic.

Misalnya, tidak mungkin menggunakan termometer biasa untuk mengukur suhu virus individu. Ukuran virus terlalu kecil dan termometer tidak dapat menyeimbangkan tanpa mengganggu suhu virus secara signifikan.

Untuk mengatasi tantangan ini, para ilmuwan IBM mengembangkan teknik termometri kontak non-ekuilibrium pemindaian tunggal untuk mengukur suhu objek nanoskopik menggunakan probe pemindaian.

Karena termometer probe pemindaian dan objek tidak dapat menyeimbangkan termal pada skala nano, dua sinyal diukur secara bersamaan:fluks panas kecil, dan ketahanannya terhadap aliran panas. Menggabungkan kedua sinyal ini, suhu objek nanoscopic kemudian dapat diukur untuk hasil yang akurat.

Ilmuwan IBM Dr. Bernd Gotsmann dan salah satu penemu menjelaskan, “Teknik ini serupa dengan menyentuh pelat panas dan menyimpulkan suhunya dari merasakan fluks panas antara tubuh kita sendiri dan sumber panas. Pada dasarnya, ujung probe adalah tangan kita. Persepsi kita terhadap panas dan dingin bisa sangat membantu untuk mendapatkan gambaran tentang suhu benda, tetapi juga bisa menyesatkan jika hambatan aliran panas tidak diketahui.”

Sebelumnya, para ilmuwan tidak secara akurat memasukkan ketergantungan resistensi ini; tetapi hanya mengukur laju perpindahan energi panas melalui permukaan, yang dikenal sebagai fluks panas. Dalam makalah tersebut, para penulis memasukkan efek variasi lokal resistensi termal untuk mengukur suhu kawat nano indium arsenide (InAs), dan interkoneksi emas yang dipanaskan sendiri dengan kombinasi beberapa miliKelvin dan beberapa nanometer resolusi spasial.

Menges menambahkan, “Tidak hanya termometer probe pemindaian yang akurat, tetapi juga memenuhi trifecta untuk alat:mudah dioperasikan, mudah dibuat, dan sangat serbaguna, karena dapat digunakan untuk mengukur suhu nano dan mikro. titik panas yang secara lokal dapat mempengaruhi sifat fisik bahan atau mengatur reaksi kimia dalam perangkat seperti transistor, sel memori, konverter energi termoelektrik atau struktur plasmonik. Aplikasinya tidak ada habisnya.”

Dari kiri ke kanan, ilmuwan IBM Nico Mosso, Bernd Gotsmann, Fabian Motzfeld, dan Fabian Menges di Lab Bebas Kebisingan.

Lab Bebas Kebisingan

Bukan kebetulan bahwa tim mulai melihat peningkatan dalam pengembangan termometer probe pemindaian 18 bulan yang lalu ketika mereka memindahkan penelitian mereka ke Lab Bebas Kebisingan baru — enam meter di bawah tanah di Binnig and Rohrer Nanotechnology Center di kampus IBM Research- Zürich.

Lingkungan unik ini, yang melindungi eksperimen dari getaran, kebisingan akustik, sinyal elektromagnetik, dan fluktuasi suhu, membantu tim mencapai presisi di bawah mili Kelvin.

“Meskipun kami mendapat manfaat dari ruangan yang unik ini, teknik ini juga dapat memberikan hasil yang dapat diandalkan di lingkungan normal,” kata Menges.

Langkah Selanjutnya

“Kami berharap makalah ini akan menghasilkan banyak kegembiraan dan kelegaan bagi para ilmuwan, yang seperti kami, telah mencari alat semacam itu,” kata Gotsmann. “Mirip dengan STM, kami berharap untuk melisensikan teknik ini kepada produsen alat yang kemudian dapat membawanya ke pasar sebagai fungsi tambahan untuk lini produk mikroskop mereka.”

Para ilmuwan ingin mengucapkan terima kasih kepada Kerangka Program ke-7 atas dukungannya di bawah proyek NANOHEAT dan Yayasan Sains Nasional Swiss.