Credito:Tokyo Tech
Poiché i dispositivi continuano a ridursi, si presentano nuove sfide nella loro misurazione e progettazione. Per i dispositivi basati su giunzioni molecolari, in cui singole molecole sono legate a metalli o semiconduttori, abbiamo una varietà di tecniche per studiare e caratterizzare le loro proprietà di trasporto elettrico. Al contrario, sondare le proprietà di trasporto termico di tali giunzioni su scala nanometrica si è rivelato più impegnativo e molti fenomeni quantistici legati alla temperatura in esse rimangono poco conosciuti.
In alcuni studi, gli scienziati sono riusciti a misurare le proprietà di trasporto termico nelle giunzioni molecolari su scala nanometrica utilizzando una tecnica chiamata microscopia termica a scansione (SThM). Questo metodo consiste nel mettere una punta metallica molto affilata a contatto con il materiale target e spostare questa punta su tutta la superficie del materiale. La punta, riscaldata da dietro mediante un laser, contiene una termocoppia. Questo piccolo dispositivo misura le differenze di temperatura, quindi bilanciando il riscaldamento della punta causato dal laser con il raffreddamento della punta causato dal calore che fluisce nel campione target, diventa possibile misurare punto per punto le caratteristiche di trasporto termico di un materiale.
In un recente studio pubblicato su Journal of the American Chemical Society , gli scienziati della Tokyo Tech hanno riportato una scoperta fortuita ma importante durante l'utilizzo di SThM. Il team stava impiegando una tecnica SThM per misurare le proprietà di trasporto termico dei monostrati autoassemblati (SAM). Questi campioni contenevano strisce alternate di ciascuna delle tre possibili coppie tra n-esadecanetiolo, n-butanetiolo e benzenetiolo. Oltre a utilizzare l'approccio SThM standard basato sul contatto, i ricercatori hanno provato a utilizzare anche un regime senza contatto, in cui la punta del microscopio termico a scansione è stata mantenuta sopra il campione senza toccarlo. Inaspettatamente, si sono resi conto che questo regime senza contatto aveva un serio potenziale.
Nel regime di contatto SThM, il calore scorre direttamente dalla punta al campione. Al contrario, nel regime SThM senza contatto, l'unico trasferimento di calore tra la punta e il campione avviene tramite irraggiamento. Come il team ha appreso attraverso esperimenti, mentre il regime di contatto è il migliore per visualizzare le caratteristiche del trasporto termico, il regime senza contatto è molto più sensibile alla lunghezza effettiva delle molecole che "sporgono" dal substrato. Pertanto, la combinazione dei regimi senza contatto e di contatto fornisce un modo completamente nuovo di creare simultaneamente immagini topografiche e di trasporto termico di un campione.
Inoltre, l'approccio senza contatto presenta vantaggi rispetto ad altre tecniche di microscopia ben consolidate, come spiega il professor Shintaro Fujii, autore principale dell'articolo:"L'approccio SThM senza contatto è completamente non distruttivo, a differenza di altre tecniche come la forza atomica microscopia, che richiede il contatto tra la punta di scansione e il campione e quindi ha un impatto meccanico che può danneggiare i materiali organici morbidi."
Nel complesso, le informazioni fornite da questo studio apriranno la strada a nuovi progressi tecnologici e a una comprensione più profonda dei materiali su scala nanometrica. "Il nostro lavoro non è solo il primo a fornire immagini termiche di SAM organici, ma fornisce anche una nuova tecnica per studiare le proprietà di trasporto termico, che saranno essenziali per la gestione termica in vari tipi di nanodispositivi", conclude Fujii.
Speriamo che questo lavoro aiuti gli scienziati a chiarire i molti misteri dei fenomeni termici. + Esplora ulteriormente
