Ученые из Токийского технологического института (Tokyo Tech) разработали микротермометр, который чувствителен к теплу, генерируемому оптическими и электронными пучками, и может измерять небольшие и быстрые изменения температуры в реальном времени. Это новое устройство может быть использовано для изучения переноса тепла на микро- и наномасштабном уровне, а также в экспериментах по оптической микроскопии и синхротронному излучению.
Существует настоятельная потребность в устройстве, которое может измерять тепловое поведение на наномасштабе и в реальном времени, так как эта технология может много где применяться. Кроме того, миниатюрная система тепловой микроскопии с наноразмерным источником тепла и детектором имеет важное значение для будущей разработки транзисторов следующего поколения, которые будут использоваться при проектировании новых наноразмерных устройств.
Термопара - это электрическое устройство, состоящее из двух разнородных электрических проводников. Термопара производит зависящее от температуры напряжение, которое можно интерпретировать для измерения температуры. Микротермопара, недавно разработанная учеными в Токийском технологическом институте, имеет большое значение для исследователей во многих областях. Это устройство состоит из золотой и никелевой термопары на мембране из нитрида кремния и миниатюризировано до того, что электроды имеют ширину всего 2,5 мкм, а мембрана составляет всего 30 нм. Система, которая будет использоваться как термометр, должна проявлять чувствительность к изменению температуры. Разработанная микротермопара демонстрировала высокую чувствительность к теплу, генерируемому лазером и электронным пучком. Важно отметить, что крошечные изменения температуры были измерены разработанной термопарой для обоих типов нагрева.
Для подготовки микротермопары был использован уже разработанный процесс миниатюризации, но были сделаны важные улучшения. В описываемом способе металлические полосы шириной в несколько микрометров располагаются крест-накрест, так что создается термопара. Исследователи из Токийского технологического института использовали этот метод для создания термопары на наномембране из нитрида кремния, которая улучшала чувствительность устройства и позволяла ему быстрее реагировать. Благодаря такому подходу был успешно изготовлен термометр, который может измерять быстрые и малые изменения температуры, причем измерения выполнялись через наномембрану из нитрида кремния.
Как объяснялось выше, для миниатюрной системы тепловой микроскопии необходимы как наноразмерный источник тепла, так и наноразмерный детектор. Эти требования были успешно удовлетворены исследователями, которые использовали наномембрану и плотно сфокусированный лазерный или электронный пучок для создания источника тепла с диаметром менее 1 мкм. Таким образом, в сочетании с детектором микротермопары была достигнута технология наномасштабной термической микроскопии.
Эту систему можно рассматривать как новый «набор инструментов» для исследования переноса тепла на микро- и наномасштабном уровне, со многими важными приложениями в самых разных областях.
Источник: Armandas Balčytis, Meguya Ryu, Saulius Juodkazis, Junko Morikawa. Micro-thermocouple on nano-membrane: thermometer for nanoscale measurements. Scientific Reports, 2018; 8 (1) DOI: 10.1038/s41598-018-24583-w