Comprendere il flusso di calore su scala nanometrica è fondamentale nella progettazione di dispositivi elettronici integrati e nello sviluppo di materiali per l'isolamento termico e il recupero di energia termoelettrica. Sebbene siano attualmente disponibili diverse tecniche per osservare il trasporto di calore su distanze macroscopiche, c'è bisogno di nuovi metodi in grado di rivelare la dinamica del flusso di calore con risoluzione nanometrica.
Un team del CCNY guidato dai professori di fisica Carlos Meriles ed Elisa Riedo ha recentemente riferito di una piattaforma versatile per misurazioni termiche su nanoscala basata su una combinazione di risonanza magnetica, e microscopia ottica e a forza atomica, in Comunicazioni sulla natura . La loro carta, "Imaging della conducibilità termica con risoluzione su scala nanometrica utilizzando una sonda a scansione di rotazione, " si basa su una semplice nozione:che una sonda calda a contatto con un materiale termicamente conduttivo, come un metallo, si raffredda perché il calore fluisce dalla sonda nel materiale. Quest'ultimo è impedito, però, se il materiale campione è termicamente isolante, implicando che si può dedurre la conducibilità termica del campione monitorando continuamente la temperatura della sonda.
Per implementare questa idea su scala nanometrica, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio termico a forza atomica, dove la temperatura del cantilever può essere regolata tramite l'applicazione di una corrente esterna. Il cantilever AFM ospita una punta affilata che entra in contatto con il substrato su un piccolo, area di dimensioni nanometriche. Per misurare la temperatura della punta, il team CCNY ha attaccato all'apice della punta un nanocristallo di diamante, la cui fluorescenza termicamente dipendente lo rendeva effettivamente un minuscolo termometro. Sono state quindi ottenute mappe di conducibilità termica risolte in nanometri mentre la punta veniva scansionata su vari substrati di composizione eterogenea.
Il team prevede molteplici applicazioni che vanno dai problemi fondamentali del flusso di calore nelle nanostrutture e il trasporto di calore radiativo nei nano-gap, alla caratterizzazione di materiali sottoposti a transizioni di fase eterogenee, allo studio delle reazioni esotermiche catalitiche. Sebbene nella presente implementazione il calore fluisca dalla punta AFM nel campione, la tecnica può essere immediatamente adattata per sondare la temperatura locale in un ambiente caldo, supporto non uniforme senza la necessità di un cantilever termico.
"Questa forma di termometria a scansione su nanoscala può svolgere un ruolo importante nella caratterizzazione dei "punti caldi" formati alle giunzioni delle eterostrutture dei semiconduttori, noto per essere critico nella generazione di calore all'interno di dispositivi elettronici integrati, " disse Merili.
