IBM 科学家发明了纳米级温度计

负责发明扫描隧道显微镜和原子力显微镜的 IBM 实验室发明了另一种帮助我们了解纳米级的重要工具。

几十年来，在纳米尺度上准确测量物体的温度一直是科学家们的挑战。当前的技术并不准确，它们通常会产生伪影，从而限制了它们的可靠性。

受这一挑战的推动以及他们需要精确表征新晶体管设计的温度以满足未来认知计算机的需求，来自 IBM 和苏黎世联邦理工学院的瑞士科学家发明了一种突破性技术来测量纳米和宏观尺寸物体的温度.这项正在申请专利的发明今天首次在同行评审期刊 Nature Communications，通过扫描探针温度测量操作纳米级设备的温度映射 ( doi:10.1038/ncomms10874)

发明历史

1980 年代，IBM 科学家 Gerd Binnig 和已故的 Heinrich Rohrer 想直接探索表面的电子结构和缺陷。他们进行此类测量所需的仪器尚不存在。所以他们做了任何优秀科学家都会做的事情：他们发明了一个。它被称为扫描隧道显微镜 (STM)，为纳米技术打开了大门。仅仅几年后，这项发明就获得了最高荣誉——1986年的诺贝尔物理学奖。

30 多年后，IBM 的科学家们继续追随 Binnig 和 Rohrer 的脚步以及他们的最新发明。

IBM 博士后和该技术的共同发明人 Fabian Menges 博士说：“我们从 2010 年开始，从未放弃。以前的研究集中在纳米级温度计上，但我们应该发明一种纳米级温度计——这是一个重要的区别。这种调整使我们开发了一种将局部热传感与显微镜的测量能力相结合的技术——我们称之为扫描探针温度法。”

IBM 科学家 Fabian Menges 及其发明。

工作原理：扫描探针测温

在宏观尺度上测量温度的最常用技术是将温度计与样品进行热接触。这就是发烧温度计的工作原理。一旦它被放在我们的舌头下，它就会与我们的体温保持平衡，这样我们就可以确定我们的体温处于健康的 37 摄氏度。不幸的是，使用温度计测量纳米级物体时会变得有点困难。

例如，不可能使用典型的温度计来测量单个病毒的温度。病毒的大小太小，温度计无法在不显着扰乱病毒温度的情况下达到平衡。

为解决这一挑战，IBM 科学家开发了一种单次扫描非平衡接触测温技术，使用扫描探针测量纳米级物体的温度。

由于扫描探针温度计和物体无法在纳米尺度上实现热平衡，因此会同时测量两个信号：一个小的热通量，以及它对热流的阻力。结合这两个信号，可以量化纳米级物体的温度以获得准确的结果。

IBM 科学家兼共同发明人 Bernd Gotsmann 博士解释说：“该技术类似于触摸热板并通过感知我们自己的身体与热源之间的热通量来推断其温度。本质上，探头的尖端就是我们的手。我们对冷热的感知对于了解物体温度非常有帮助，但如果热流阻力未知，也会产生误导。”

以前，科学家们并没有准确地将这种抗性依赖性包括在内。但仅测量通过表面的热能传递速率，称为热通量。在论文中，作者包括了热阻局部变化的影响，以测量砷化铟 (InAs) 纳米线的温度，以及结合几毫开尔文和几纳米空间分辨率的自热金互连。

Menges 补充说：“扫描探针温度计不仅准确，而且满足工具的三重要求：操作简单、构建简单且用途广泛，因为它可用于测量纳米和微米尺寸的温度。热点可以局部影响材料的物理特性或控制晶体管、存储单元、热电能量转换器或等离子体结构等器件中的化学反应。应用程序是无穷无尽的。”

从左到右，IBM 科学家 Nico Mosso, Bernd Gotsmann、Fabian Motzfeld 和 Fabian Menges 在无噪声实验室。

无噪音实验室

18 个月前，当他们将研究转移到新的 Noise Free Labs 时，该团队开始看到扫描探针温度计的开发改进并非巧合——IBM Research 园区的 Binnig 和 Rohrer 纳米技术中心位于地下 6 米处。苏黎世。

这种独特的环境使实验免受振动、声学噪声、电磁信号和温度波动的影响，帮助团队实现了亚毫开尔文精度。

“虽然我们受益于这个独特的房间，但该技术在正常环境下也能产生可靠的结果，”Menges 说。

后续步骤

“我们希望这篇论文能给像我们一样一直在寻找这样一种工具的科学家们带来很多兴奋和安慰，”戈茨曼说。 “与 STM 类似，我们希望将这项技术授权给工具制造商，然后他们可以将其作为显微镜产品线的附加功能推向市场。”

科学家们要感谢第七个计划框架在 NANOHEAT 项目和瑞士国家科学基金会下的支持。