Cientistas da IBM inventam um termômetro para nanoescala

O laboratório IBM responsável por inventar o microscópio de tunelamento de varredura e o microscópio de força atômica inventou outra ferramenta crítica para nos ajudar a entender a nanoescala.

Medir com precisão a temperatura de objetos em nanoescala tem desafiado os cientistas há décadas. As técnicas atuais não são precisas e normalmente geram artefatos, limitando sua confiabilidade.

Motivados por este desafio e sua necessidade de caracterizar precisamente a temperatura de novos projetos de transistores para atender à demanda de futuros computadores cognitivos, cientistas da IBM e da ETH Zurich inventaram uma técnica inovadora para medir a temperatura de objetos de tamanho nanométrico e macro . A invenção com patente pendente está sendo divulgada pela primeira vez hoje no periódico de revisão por pares Nature Communications, Mapeamento de temperatura de dispositivos operacionais em nanoescala por varredura de termometria de sonda ( doi:10.1038 / ncomms10874)



Uma história de invenção

Na década de 1980, os cientistas da IBM Gerd Binnig e o falecido Heinrich Rohrer queriam explorar diretamente a estrutura eletrônica e as imperfeições de uma superfície. O instrumento de que eles precisavam para fazer tais medições ainda não existia. Então eles fizeram o que qualquer bom cientista faria:eles inventaram um. Ficou conhecido como microscópio de tunelamento de varredura (STM), abrindo a porta para a nanotecnologia. Poucos anos depois, a invenção foi reconhecida com a maior das honras, o Prêmio Nobel de Física em 1986.

Mais de 30 anos depois, os cientistas da IBM continuam a seguir os passos de Binnig e Rohrer e com sua mais recente invenção.

O Dr. Fabian Menges, um pós-doutorando da IBM e co-inventor da técnica disse:“Começamos em 2010 e simplesmente nunca desistimos. A pesquisa anterior foi focada em um termômetro em nanoescala, mas deveríamos ter inventado um termômetro para a nanoescala - uma distinção importante. Esse ajuste nos levou a desenvolver uma técnica que combina o sensoriamento térmico local com a capacidade de medição de um microscópio - chamamos isso de termometria por sonda de varredura ”.

Cientista da IBM Fabian Menges com sua invenção.

Como funciona:termometria com sonda de varredura

A técnica mais comum para medir a temperatura em macroescala é colocar um termômetro em contato térmico com a amostra. É assim que funciona um termômetro de febre. Uma vez colocado sob nossa língua, ele se equilibra com a temperatura do nosso corpo para que possamos determinar nossa temperatura em saudáveis ​​37 graus C. Infelizmente, fica um pouco mais desafiador quando se usa um termômetro para medir um objeto nanoscópico.

Por exemplo, seria impossível usar um termômetro típico para medir a temperatura de um vírus individual. O tamanho do vírus é muito pequeno e o termômetro não consegue se equilibrar sem perturbar significativamente a temperatura do vírus.

Para resolver este desafio, os cientistas da IBM desenvolveram uma técnica de termometria de contato de não equilíbrio de varredura única para medir a temperatura de objetos nanoscópicos usando uma sonda de varredura.

Como o termômetro de sonda de varredura e o objeto não podem se equilibrar termicamente em nanoescala, dois sinais são medidos simultaneamente:um pequeno fluxo de calor e sua resistência ao fluxo de calor. Combinando esses dois sinais, a temperatura de objetos nanoscópicos pode então ser quantificada para um resultado preciso.

O cientista da IBM, Dr. Bernd Gotsmann e co-inventor, explica:“A técnica é análoga a tocar uma placa quente e inferir sua temperatura detectando o fluxo de calor entre nosso próprio corpo e a fonte de calor. Essencialmente, a ponta da sonda é a nossa mão. Nossa percepção de quente e frio pode ser muito útil para ter uma ideia da temperatura de um objeto, mas também pode ser enganosa se a resistência ao fluxo de calor for desconhecida. ”

Anteriormente, os cientistas não incluíam com precisão esta dependência da resistência; mas apenas medindo a taxa de transferência de energia térmica através da superfície, conhecida como fluxo de calor. No artigo, os autores incluíram os efeitos das variações locais da resistência térmica para medir a temperatura de um nanofio de arseneto de índio (InAs) e uma interconexão de ouro autoaquecido com uma combinação de resolução espacial de poucos miliKelvin e poucos nanômetros.

Menges acrescenta:“O termômetro de sonda de varredura não é apenas preciso, ele atende à trifeta para ferramentas:é fácil de operar, simples de construir e muito versátil, pois pode ser usado para medir a temperatura de nanômetros e micro pontos quentes que podem afetar localmente as propriedades físicas dos materiais ou governar reações químicas em dispositivos como transistores, células de memória, conversores de energia termoelétrica ou estruturas plasmônicas. As aplicações são infinitas. ”

Da esquerda para a direita, cientistas da IBM Nico Mosso, Bernd Gotsmann, Fabian Motzfeld e Fabian Menges no Laboratório Sem Ruído.

Laboratórios sem ruído

Não é por acaso que a equipe começou a ver melhorias no desenvolvimento do termômetro de sonda de varredura 18 meses atrás, quando mudou sua pesquisa para o novo Noise Free Labs - seis metros abaixo do solo no Binnig and Rohrer Nanotechnology Center no campus da IBM Research- Zurique.

Este ambiente único, que protege os experimentos de vibração, ruído acústico, sinais eletromagnéticos e flutuações de temperatura, ajudou a equipe a atingir a precisão Kelvin abaixo de um milhão.

“Embora tivéssemos o benefício desta sala única, a técnica também pode produzir resultados confiáveis ​​em ambiente normal”, disse Menges.

Próximas etapas

“Esperamos que o artigo produza muita empolgação e alívio para os cientistas que, como nós, têm buscado essa ferramenta”, disse Gotsmann. “Semelhante ao STM, esperamos licenciar esta técnica para fabricantes de ferramentas que podem então trazê-la para o mercado como uma função adicional para sua linha de produtos de microscopia.”

Os cientistas gostariam de agradecer ao 7º Programa-Quadro pelo seu apoio no âmbito do projeto NANOHEAT e da Fundação Nacional da Ciência da Suíça.