Los científicos de IBM inventan un termómetro para nanoescala

El laboratorio de IBM responsable de inventar el microscopio de efecto túnel y el microscopio de fuerza atómica ha inventado otra herramienta fundamental para ayudarnos a comprender la nanoescala.

Medir con precisión la temperatura de los objetos a nanoescala ha sido un desafío para los científicos durante décadas. Las técnicas actuales no son precisas y suelen generar artefactos que limitan su fiabilidad.

Motivados por este desafío y su necesidad de caracterizar con precisión la temperatura de los nuevos diseños de transistores para satisfacer la demanda de las futuras computadoras cognitivas, científicos en Suiza de IBM y ETH Zurich han inventado una técnica revolucionaria para medir la temperatura de objetos de tamaño nano y macro. . La invención pendiente de patente se divulga por primera vez hoy en la revista de revisión por pares Nature Communications, Mapeo de temperatura de dispositivos en funcionamiento a nanoescala mediante termometría de sonda de escaneo ( doi:10.1038 / ncomms10874)

Una historia de inventos

En la década de 1980, los científicos de IBM Gerd Binnig y el difunto Heinrich Rohrer querían explorar directamente la estructura electrónica y las imperfecciones de una superficie. El instrumento que necesitaban para tomar tales medidas aún no existía. Así que hicieron lo que haría cualquier buen científico:inventaron uno. Se conoció como el microscopio de túnel de barrido (STM), lo que abrió la puerta a la nanotecnología. Solo unos años después, la invención fue reconocida con el más alto de los honores, el Premio Nobel de Física en 1986.

Más de 30 años después, los científicos de IBM continúan siguiendo los pasos de Binnig y Rohrer y con su último invento.

El Dr. Fabian Menges, un postdoctorado de IBM y co-inventor de la técnica, dijo:“Comenzamos en 2010 y simplemente nunca nos dimos por vencidos. La investigación anterior se centró en un termómetro a nanoescala, pero deberíamos haber estado inventando un termómetro para la nanoescala, una distinción importante. Este ajuste nos llevó a desarrollar una técnica que combina la detección térmica local con la capacidad de medición de un microscopio; lo llamamos termometría de sonda de barrido ”.

El científico de IBM Fabian Menges con su invento.

Cómo funciona:una termometría con sonda de escaneo

La técnica más común para medir la temperatura en la macroescala es poner un termómetro en contacto térmico con la muestra. Así es como funciona un termómetro para la fiebre. Una vez que se coloca debajo de nuestra lengua, se equilibra con la temperatura de nuestro cuerpo para que podamos determinar nuestra temperatura a unos saludables 37 grados C. Desafortunadamente, se vuelve un poco más desafiante cuando se usa un termómetro para medir un objeto nanoscópico.

Por ejemplo, sería imposible usar un termómetro típico para medir la temperatura de un virus individual. El tamaño del virus es demasiado pequeño y el termómetro no puede equilibrarse sin alterar significativamente la temperatura del virus.

Para resolver este desafío, los científicos de IBM desarrollaron una técnica de termometría de contacto sin equilibrio de escaneo único para medir la temperatura de objetos nanoscópicos utilizando una sonda de escaneo.

Como el termómetro de la sonda de exploración y el objeto no pueden equilibrarse térmicamente en la nanoescala, se miden dos señales simultáneamente:un pequeño flujo de calor y su resistencia al flujo de calor. Combinando estas dos señales, la temperatura de los objetos nanoscópicos se puede cuantificar para obtener un resultado preciso.

El científico de IBM Dr. Bernd Gotsmann y co-inventor explica:“La técnica es análoga a tocar una placa caliente e inferir su temperatura al sentir el flujo de calor entre nuestro propio cuerpo y la fuente de calor. Básicamente, la punta de la sonda es nuestra mano. Nuestra percepción del calor y el frío puede ser muy útil para tener una idea de la temperatura de un objeto, pero también puede ser engañosa si se desconoce la resistencia al flujo de calor ".

Anteriormente, los científicos no incluían con precisión esta dependencia de la resistencia; pero solo midiendo la tasa de transferencia de energía térmica a través de la superficie, conocida como flujo de calor. En el artículo, los autores incluyeron los efectos de las variaciones locales de la resistencia térmica para medir la temperatura de un nanoalambre de arseniuro de indio (InAs) y una interconexión de oro autocalentada con una combinación de unos pocos miliKelvin y una resolución espacial de pocos nanómetros.

Menges agrega:“El termómetro de sonda de escaneo no solo es preciso, sino que cumple con la trifecta de herramientas:es fácil de operar, simple de construir y muy versátil, ya que puede usarse para medir la temperatura de nano y micro puntos calientes que pueden afectar localmente las propiedades físicas de los materiales o gobernar reacciones químicas en dispositivos como transistores, celdas de memoria, convertidores de energía termoeléctrica o estructuras plasmónicas. Las aplicaciones son infinitas ".

De izquierda a derecha, científicos de IBM Nico Mosso, Bernd Gotsmann, Fabian Motzfeld y Fabian Menges en el Noise Free Lab.

Laboratorios sin ruido

No es una coincidencia que el equipo comenzara a ver mejoras en el desarrollo del termómetro de sonda de escaneo hace 18 meses cuando trasladaron su investigación a los nuevos Noise Free Labs, a seis metros bajo tierra en el Binnig and Rohrer Nanotechnology Center en el campus de IBM Research. Zurich.

Este entorno único, que protege los experimentos de la vibración, el ruido acústico, las señales electromagnéticas y las fluctuaciones de temperatura, ayudó al equipo a lograr una precisión inferior a mili Kelvin.

"Si bien tuvimos el beneficio de esta sala única, la técnica también puede producir resultados confiables en un entorno normal", dijo Menges.

Pasos siguientes

"Esperamos que el documento produzca tanto entusiasmo como alivio para los científicos, que como nosotros, han estado buscando una herramienta de este tipo", dijo Gotsmann. "De manera similar al STM, esperamos otorgar la licencia de esta técnica a los fabricantes de herramientas que luego puedan llevarla al mercado como una función adicional a su línea de productos de microscopía".

Los científicos desean agradecer al Séptimo Programa Marco por su apoyo en el marco del proyecto NANOHEAT y la Fundación Nacional de Ciencias de Suiza.