Les scientifiques d'IBM inventent un thermomètre pour l'échelle nanométrique

Le laboratoire IBM responsable de l'invention du microscope à effet tunnel et du microscope à force atomique a inventé un autre outil essentiel pour nous aider à comprendre l'échelle nanométrique.

Mesurer avec précision la température des objets à l'échelle nanométrique est un défi pour les scientifiques depuis des décennies. Les techniques actuelles ne sont pas précises et elles génèrent généralement des artefacts, ce qui limite leur fiabilité.

Motivés par ce défi et leur besoin de caractériser avec précision la température des nouvelles conceptions de transistors pour répondre à la demande des futurs ordinateurs cognitifs, des scientifiques suisses d'IBM et de l'ETH Zurich ont inventé une technique révolutionnaire pour mesurer la température d'objets de taille nanométrique et macroscopique. . L'invention en instance de brevet est divulguée pour la première fois aujourd'hui dans la revue à comité de lecture Nature Communications, Temperature mapping of operating nanoscale devices by scanning probe thermometry ( doi :10.1038/ncomms10874)

Une histoire d'invention

Dans les années 1980, les scientifiques d'IBM Gerd Binnig et le regretté Heinrich Rohrer voulaient explorer directement la structure électronique et les imperfections d'une surface. L'instrument dont ils avaient besoin pour prendre de telles mesures n'existait pas encore. Alors ils ont fait ce que tout bon scientifique ferait :ils en ont inventé un. Il est devenu connu sous le nom de microscope à effet tunnel (STM), ouvrant la porte à la nanotechnologie. Quelques années plus tard, l'invention a reçu la plus haute distinction, le prix Nobel de physique en 1986.

Plus de 30 ans plus tard, les scientifiques d'IBM continuent de suivre les traces de Binnig et Rohrer et de leur dernière invention.

Le Dr Fabian Menges, post-doctorant chez IBM et co-inventeur de la technique, a déclaré :« Nous avons commencé en 2010 et n'avons tout simplement jamais abandonné. Des recherches antérieures étaient axées sur un thermomètre à l'échelle nanométrique, mais nous aurions dû inventer un thermomètre à l'échelle nanométrique – une distinction importante. Cet ajustement nous a amenés à développer une technique qui combine la détection thermique locale avec la capacité de mesure d'un microscope - nous l'appelons la thermométrie à sonde à balayage. »

Le scientifique d'IBM Fabian Menges avec son invention.

Comment ça marche :une thermométrie à sonde à balayage

La technique la plus courante pour mesurer la température à l'échelle macro consiste à mettre un thermomètre en contact thermique avec l'échantillon. C'est ainsi que fonctionne un thermomètre à fièvre. Une fois placé sous notre langue, il s'équilibre à la température de notre corps afin que nous puissions déterminer notre température à 37 degrés Celsius. Malheureusement, cela devient un peu plus difficile lorsque l'on utilise un thermomètre pour mesurer un objet nanoscopique.

Par exemple, il serait impossible d'utiliser un thermomètre typique pour mesurer la température d'un virus individuel. La taille du virus est trop petite et le thermomètre ne peut pas s'équilibrer sans perturber significativement la température du virus.

Pour relever ce défi, les scientifiques d'IBM ont mis au point une technique de thermométrie de contact hors équilibre à balayage unique pour mesurer la température d'objets nanoscopiques à l'aide d'une sonde à balayage.

Comme le thermomètre à sonde à balayage et l'objet ne peuvent pas s'équilibrer thermiquement à l'échelle nanométrique, deux signaux sont mesurés simultanément :un petit flux de chaleur et sa résistance au flux de chaleur. En combinant ces deux signaux, la température des objets nanoscopiques peut ensuite être quantifiée pour un résultat précis.

Le scientifique d'IBM, le Dr Bernd Gotsmann et co-inventeur, explique :« La technique est analogue à toucher une plaque chauffante et à déduire sa température de la détection du flux de chaleur entre notre propre corps et la source de chaleur. Essentiellement, la pointe de la sonde est notre main. Notre perception du chaud et du froid peut être très utile pour avoir une idée de la température d'un objet, mais elle peut aussi être trompeuse si la résistance au flux de chaleur est inconnue.

Auparavant, les scientifiques n'incluaient pas avec précision cette dépendance à la résistance ; mais ne mesurant que le taux de transfert d'énergie thermique à travers la surface, connu sous le nom de flux de chaleur. Dans l'article, les auteurs ont inclus les effets des variations locales de la résistance thermique pour mesurer la température d'un nanofil d'arséniure d'indium (InAs) et une interconnexion en or auto-chauffée avec une combinaison de résolution spatiale de quelques milliKelvin et de quelques nanomètres.

Menges ajoute :« Non seulement le thermomètre à sonde à balayage est précis, mais il répond au tiercé gagnant pour les outils :il est facile à utiliser, simple à construire et très polyvalent, en ce sens qu'il peut être utilisé pour mesurer la température de nano- et micro-taille des points chauds pouvant affecter localement les propriétés physiques des matériaux ou régir des réactions chimiques dans des dispositifs tels que des transistors, des cellules mémoire, des convertisseurs d'énergie thermoélectrique ou des structures plasmoniques. Les applications sont infinies. »

De gauche à droite, les scientifiques d'IBM Nico Mosso, Bernd Gotsmann, Fabian Motzfeld et Fabian Menges dans le laboratoire sans bruit.

Laboratoires sans bruit

Ce n'est pas une coïncidence si l'équipe a commencé à constater des améliorations dans le développement du thermomètre à sonde à balayage il y a 18 mois lorsqu'elle a déplacé ses recherches dans les nouveaux laboratoires sans bruit, à six mètres sous terre au Binnig and Rohrer Nanotechnology Center sur le campus d'IBM Research. Zürich.

Cet environnement unique, qui protège les expériences des vibrations, du bruit acoustique, des signaux électromagnétiques et des fluctuations de température, a aidé l'équipe à atteindre une précision inférieure au millième de Kelvin.

"Bien que nous ayons bénéficié de cette salle unique, la technique peut également produire des résultats fiables dans un environnement normal", a déclaré Menges.

Étapes suivantes

"Nous espérons que le document produira à la fois beaucoup d'enthousiasme et de soulagement pour les scientifiques qui, comme nous, recherchaient un tel outil", a déclaré Gotsmann. « Comme pour le STM, nous espérons licencier cette technique aux fabricants d'outils qui pourront ensuite la mettre sur le marché en tant que fonction supplémentaire à leur gamme de produits de microscopie. »

Les scientifiques souhaitent remercier le 7e programme-cadre pour son soutien dans le cadre du projet NANOHEAT et du Fonds national suisse pour la recherche scientifique.