Инженеры IBM разработали наноскопический термометр, обеспечивающий точное тепловое картирование квантовых устройств

IBM-лаборатория, пioniровавшая сканирующий туннельный микроскоп (STM) и атомно-силовой микроскоп (AFM), представила новый незаменимый инструмент для наноскопических исследований: сканирующий зондовый термометр, способный измерять температуру с точностью до милликельвина.

Точное измерение температуры объектов в нанометровом масштабе долгое время представляло вызов. Существующие методы либо неточны, либо вносят артефакты измерения, компрометирующие надежность.

Мотивированные необходимостью характеризовать дизайны транзисторов нового поколения для когнитивных вычислений, ученые IBM в Швейцарии в сотрудничестве с ETH Zurich открыли прорывную технику. Патентная инвенция описана в рецензируемом журнале Nature Communications под названием «Temperature mapping of operating nanoscale devices by scanning probe thermometry».

История инноваций

В 1980-х IBM-исследователи Герд Бинниг и поздний Хайнрих Роррер поняли, что существующие инструменты не могут напрямую зондировать электронную структуру поверхности. Они изобрели STM, решение, принесшее им Нобелевскую премию по физике 1986 года и открывшее нанотехнологии.

Теперь, более чем через три десятилетия, ученые IBM следуют тому пионерскому духу с термометром, спроектированным для наноскопического масштаба.

Д-р Фабиан Менгес, постдок IBM и соизобретатель, отмечает: «Мы начали в 2010 и оставались беспощадными. Ранняя работа фокусировалась на наноскопическом термометре, но мы переосмыслили его как термометр для наноскопического масштаба — существенное различие, приведшее к нашему подходу сканирующей зондовой термометрии».

Как работает сканирующая зондовая термометрия

Традиционные измерения температуры подразумевают контакт термометра с образцом для равновесия. На мак्रोскопическом уровне это работает, но на наноуровне зонд не может равновеситься без возмущения образца — представьте измерение температуры вируса обычным термометром.

Решение IBM — неравновесная техника однократного сканирования, захватывающая два одновременных сигнала: тепловой поток в зонд и сопротивление теплопередаче. Комбинируя эти измерения, метод точно количественно определяет температуру наноскопических объектов.

Д-р Бернд Готсман объясняет: «Это как коснуться горячей плиты и вывести ее температуру из теплового потока между рукой и плитой. Кончик зонда выступает рукой; знание теплового сопротивления необходимо для точной оценки».

Команда валидировала технику на индий-арсенидном (InAs) нанопроводе и самонагреваемом золотом интерконнекте, достигнув пространственного разрешения в несколько нанометров и температурного — в несколько милликельвин.

Применение и влияние

Менгес подчеркивает, что сканер не только точен, но также удобен, прост в изготовлении и универсален. Он может измерять тепловые хот-споты в нано- и микроустройствах, влияя на свойства материалов и направляя реакции в транзисторах, ячейках памяти, термоэлектрических конвертерах и плазмонных структурах.

Шумозащищенные лаборатории

Разработка термометра ускорилась после переезда команды в Noise Free Labs — шесть метров под землей в Центре нанотехнологий Биннига и Роррера. Эта среда устраняет вибрации, акустический шум, электромагнитные помехи и температурные флуктуации, обеспечивая суб-милликельвинную точность.

«Даже вне этой контролируемой установки техника дает надежные результаты», говорит Менгес.

Будущие перспективы

Готсман выражает оптимизм: «Мы предвидим, что эта работа вызовет волнение и облегчение у исследователей, ищущих такой инструмент. Как STM, мы надеемся лицензировать технологию производителям, интегрируя её в микроскопические комплексы нового поколения».

Ученые признают поддержку 7-й Программной рамки под проектом NANOHEAT и Швейцарского национального научного фонда.