IBMの科学者がナノスケール用の温度計を発明

走査型トンネル顕微鏡と原子間力顕微鏡の発明を担当するIBMラボは、ナノスケールの理解を支援するためのもう1つの重要なツールを発明しました。

ナノスケールで物体の温度を正確に測定することは、何十年にもわたって科学者に挑戦してきました。現在の手法は正確ではなく、通常はアーティファクトを生成し、信頼性を制限します。

この課題と、将来のコグニティブコンピューターの需要を満たすために新しいトランジスタ設計の温度を正確に特性化する必要性に動機付けられて、IBMとETHチューリッヒのスイスの科学者は、ナノサイズとマクロサイズのオブジェクトの温度を測定する画期的な手法を発明しました。。特許出願中の発明は、本日初めてピアレビュージャーナル Nature Communications、走査型プローブ温度測定による動作中のナノスケールデバイスの温度マッピング（）で開示されています。 doi：10.1038 / ncomms10874）

発明の歴史

1980年代、IBMの科学者であるGerdBinnigと故HeinrichRohrerは、表面の電子構造と欠陥を直接調査したいと考えていました。そのような測定を行うために必要な機器はまだ存在していませんでした。それで彼らはどんな優れた科学者がするであろうことをしました：彼らはそれを発明しました。それは走査型トンネル顕微鏡（STM）として知られるようになり、ナノテクノロジーへの扉を開きました。ほんの数年後、この発明は最高の栄誉である1986年のノーベル物理学賞を受賞しました。

30年以上後、IBMの科学者たちは、ビーニッヒとローラーの足跡をたどり、最新の発明を続けています。

IBMのポスドクでこの技術の共同発明者であるFabianMenges博士は、次のように述べています。以前の研究はナノスケールの温度計に焦点を当てていましたが、重要な違いであるナノスケールの温度計を発明する必要がありました。この調整により、局所的な熱感知と顕微鏡の測定機能を組み合わせた技術を開発することになりました。これを走査型プローブ温度測定と呼びます。」

IBMの科学者FabianMengesと彼の発明。

仕組み：走査型プローブ温度計

マクロスケールで温度を測定する最も一般的な手法は、温度計をサンプルと熱接触させることです。これが発熱体温計のしくみです。舌の下に置くと、体温と平衡状態になり、健康的な37℃で体温を測定できるようになります。残念ながら、温度計を使用してナノスコピックオブジェクトを測定する場合は少し難しくなります。

たとえば、一般的な温度計を使用して個々のウイルスの温度を測定することは不可能です。ウイルスのサイズが小さすぎるため、温度計はウイルスの温度を大幅に乱さずに平衡化することはできません。

この課題を解決するために、IBMの科学者は、走査型プローブを使用してナノスコピックオブジェクトの温度を測定するシングルスキャン非平衡接触温度測定技術を開発しました。

走査型プローブ温度計と物体はナノスケールで熱平衡化できないため、2つの信号が同時に測定されます。小さな熱流束とその熱流に対する抵抗です。これらの2つの信号を組み合わせることで、ナノスコピックオブジェクトの温度を定量化して正確な結果を得ることができます。

IBMの科学者であるDr.Bernd Gotsmannと共同発明者は、次のように説明しています。基本的に、プローブの先端は私たちの手です。高温と低温に対する私たちの認識は、物体の温度を知るのに非常に役立ちますが、熱の流れに対する抵抗が不明な場合は誤解を招く可能性もあります。」

以前は、科学者はこの抵抗依存性を正確に含めていませんでした。しかし、熱流束として知られている、表面を通過する熱エネルギー伝達の速度を測定するだけです。この論文では、著者は、インジウムヒ素（InAs）ナノワイヤの温度を測定するための熱抵抗の局所的な変動の影響と、数ミリケルビンと数ナノメートルの空間分解能を組み合わせた自己発熱金相互接続を含めました。

Menges氏は、次のように付け加えています。「走査型プローブ温度計は正確であるだけでなく、ツールの3つの要素に適合しています。操作が簡単で、構築が簡単で、ナノサイズとマイクロサイズの温度を測定するために使用できるという点で非常に用途が広いです。材料の物理的特性に局所的に影響を及ぼしたり、トランジスタ、メモリセル、熱電エネルギー変換器、プラズモニック構造などのデバイスの化学反応を支配したりする可能性のあるホットスポット。アプリケーションは無限大です。」