IBM 과학자들이 나노 스케일용 온도계를 발명했습니다

주사 터널링 현미경과 원자간력 현미경의 발명을 담당하는 IBM 연구소는 나노스케일을 이해하는 데 도움이 되는 또 다른 중요한 도구를 발명했습니다.

나노 스케일에서 물체의 온도를 정확하게 측정하는 것은 수십 년 동안 과학자들에게 도전 과제였습니다. 현재 기술은 정확하지 않으며 일반적으로 인공물을 생성하여 신뢰성을 제한합니다.

이러한 도전과 미래 인지 컴퓨터의 요구를 충족하기 위해 새로운 트랜지스터 설계의 온도를 정확하게 특성화해야 할 필요성에 동기를 부여받은 IBM과 ETH Zurich의 스위스 과학자들은 나노 및 매크로 크기 물체의 온도를 측정하는 획기적인 기술을 발명했습니다. . 특허 출원 중인 발명이 피어 리뷰 저널 Nature Communications, 스캐닝 프로브 온도 측정에 의한 작동하는 나노 스케일 장치의 온도 매핑( doi:10.1038/ncomms10874)

발명의 역사

1980년대에 IBM 과학자 Gerd Binnig와 고 Heinrich Rohrer는 표면의 전자 구조와 불완전성을 직접 탐구하기를 원했습니다. 그러한 측정을 수행하는 데 필요한 도구는 아직 존재하지 않았습니다. 그래서 그들은 훌륭한 과학자라면 누구나 할 수 있는 일을 했습니다. 그들은 하나를 발명했습니다. 이것은 주사 터널링 현미경(STM)으로 알려지게 되었고 나노 기술의 문을 열었습니다. 불과 몇 년 후, 이 발명은 최고의 영예인 1986년 노벨 물리학상으로 인정받았습니다.

30년 이상이 지난 후에도 IBM 과학자들은 계속해서 Binnig와 Rohrer의 발자취와 그들의 최신 발명품을 따르고 있습니다.

IBM의 박사후 연구원이자 이 기술의 공동 발명가인 Dr. Fabian Menges는 다음과 같이 말했습니다. “우리는 2010년에 시작했고 결코 포기하지 않았습니다. 이전 연구는 나노 스케일 온도계에 초점을 맞추었지만 우리는 나노 스케일 온도계를 발명했어야 했습니다. 중요한 차이점입니다. 이러한 조정을 통해 우리는 국소 열 감지와 현미경의 측정 기능을 결합한 기술을 개발하게 되었습니다. 이를 스캐닝 프로브 온도계라고 합니다.”

IBM 과학자 Fabian Menges와 그의 발명품

작동 방식:스캐닝 프로브 온도 측정

거시적 규모에서 온도를 측정하는 가장 일반적인 기술은 온도계를 샘플과 열 접촉하는 것입니다. 이것이 발열 체온계가 작동하는 방식입니다. 혀 아래에 놓으면 건강한 37°C에서 체온을 결정할 수 있도록 체온과 평형을 이룹니다. 불행히도 온도계를 사용하여 나노 크기의 물체를 측정할 때는 조금 더 어려워집니다.

예를 들어 일반적인 온도계를 사용하여 개별 바이러스의 온도를 측정하는 것은 불가능합니다. 바이러스의 크기가 너무 작고 온도계는 바이러스 온도를 크게 방해하지 않고는 평형을 이룰 수 없습니다.

이 문제를 해결하기 위해 IBM 과학자들은 스캐닝 프로브를 사용하여 나노 크기 물체의 온도를 측정하는 단일 스캔 비평형 접촉 온도 측정 기술을 개발했습니다.

스캐닝 프로브 온도계와 물체는 나노 스케일에서 열적으로 평형을 이룰 수 없기 때문에 작은 열유속과 열 흐름에 대한 저항이라는 두 가지 신호가 동시에 측정됩니다. 이 두 신호를 결합하면 나노 크기의 물체의 온도를 정량화하여 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.

IBM 과학자인 Dr. Bernd Gotsmann과 공동 발명자는 다음과 같이 설명합니다. “이 기술은 열판을 만지고 우리 몸과 열원 사이의 열유속을 감지하여 열판의 온도를 추론하는 것과 유사합니다. 기본적으로 프로브의 끝은 우리의 손입니다. 뜨겁고 차가운 것에 대한 우리의 인식은 물체의 온도에 대한 아이디어를 얻는 데 매우 도움이 될 수 있지만 열 흐름에 대한 저항을 모르는 경우 오해의 소지가 있습니다.”

이전에는 과학자들이 이 저항 의존성을 정확하게 포함하지 않았습니다. 그러나 열유속으로 알려진 표면을 통한 열 에너지 전달 속도만 측정합니다. 이 논문에서 저자는 인듐 비소(InAs) 나노와이어의 온도를 측정하기 위한 열 저항의 국부적 변화의 효과와 수 밀리켈빈 및 수 나노미터 공간 분해능의 조합으로 자체 가열된 금 상호 연결을 포함했습니다.

Menges는 다음과 같이 덧붙입니다. “스캐닝 프로브 온도계는 정확할 뿐만 아니라 도구에 대한 세 가지 요건을 충족합니다. 작동하기 쉽고 구축이 간편하며 나노 및 마이크로 크기의 온도를 측정하는 데 사용할 수 있다는 점에서 매우 다재다능합니다. 재료의 물리적 특성에 국부적으로 영향을 미치거나 트랜지스터, 메모리 셀, 열전 에너지 변환기 또는 플라즈몬 구조와 같은 장치의 화학 반응을 지배할 수 있는 핫스팟. 응용 프로그램은 무궁무진합니다.”

왼쪽에서 오른쪽으로 IBM 과학자 Nico Mosso, Bernd 노이즈 프리 랩의 Gotsmann, Fabian Motzfeld 및 Fabian Menges.

소음 없는 연구실

팀이 18개월 전 IBM Research 캠퍼스의 Binnig and Rohrer Nanotechnology Center에 있는 지하 6미터에 있는 새로운 Noise Free Labs로 연구를 옮겼을 때 스캐닝 프로브 온도계 개발의 개선 사항을 보기 시작한 것은 우연이 아닙니다. 취리히.

진동, 음향 잡음, 전자기 신호 및 온도 변동으로부터 실험을 보호하는 이 독특한 환경은 팀이 밀리 켈빈 미만의 정밀도를 달성하는 데 도움이 되었습니다.

Menges는 "우리는 이 독특한 방의 이점을 얻었지만 이 기술은 정상적인 환경에서도 신뢰할 수 있는 결과를 생성할 수 있습니다."라고 말했습니다.

다음 단계

Gotsmann은 "이 논문이 우리와 같은 도구를 찾고 있는 과학자들에게 많은 흥분과 안도감을 주기를 바랍니다."라고 말했습니다. "STM과 유사하게, 우리는 이 기술을 도구 제조업체에 라이선스하여 현미경 제품 라인에 추가 기능으로 시장에 출시할 수 있기를 희망합니다."

과학자들은 NANOHEAT 프로젝트와 스위스 국립과학재단(Swiss National Science Foundation)의 지원에 대해 7차 프로그램 프레임워크에 감사드립니다.