Comprendre le flux de chaleur à l'échelle nanométrique est essentiel dans la conception de dispositifs électroniques intégrés et dans le développement de matériaux pour l'isolation thermique et la récupération d'énergie thermoélectrique. Alors que plusieurs techniques sont actuellement disponibles pour observer le transport de chaleur sur des distances macroscopiques, il existe un besoin de nouvelles méthodes capables de révéler la dynamique des flux de chaleur avec une résolution nanométrique.
Une équipe du CCNY dirigée par les professeurs de physique Carlos Meriles et Elisa Riedo a récemment présenté une plate-forme polyvalente pour les mesures thermiques à l'échelle nanométrique basée sur une combinaison de résonance magnétique, et microscopie optique et à force atomique, dans Communication Nature . Leur papier, « Imagerie de la conductivité thermique avec une résolution à l'échelle nanométrique à l'aide d'une sonde de spin à balayage, " repose sur une notion simple :qu'une sonde chaude en contact avec un matériau thermiquement conducteur, comme un métal, se refroidit car la chaleur s'écoule de la sonde dans le matériau. Ce dernier est empêché, cependant, si le matériau de l'échantillon est thermiquement isolant, ce qui implique que l'on peut déduire la conductivité thermique de l'échantillon en surveillant en continu la température de la sonde.
Pour mettre en œuvre cette idée à l'échelle nanométrique, les chercheurs ont utilisé un microscope thermique à force atomique, où la température en porte-à-faux peut être ajustée via l'application d'un courant externe. Le porte-à-faux AFM abrite une pointe acérée qui entre en contact avec le substrat sur une petite, zone de taille nanométrique. Pour mesurer la température de la pointe, l'équipe du CCNY a attaché à l'apex de la pointe un nanocristal de diamant, dont la fluorescence thermiquement dépendante en a effectivement fait un minuscule thermomètre. Des cartes de conductivité thermique résolues au nanomètre ont ensuite été obtenues lorsque la pointe a été balayée sur divers substrats de composition hétérogène.
L'équipe anticipe de multiples applications allant des problèmes fondamentaux de flux de chaleur dans les nanostructures et de transport de chaleur radiative dans les nano-gaps, à la caractérisation de matériaux subissant des transitions de phases hétérogènes, à l'étude des réactions exothermiques catalytiques. Bien que dans la présente mise en œuvre, la chaleur s'écoule de la pointe de l'AFM dans l'échantillon, la technique peut être immédiatement adaptée pour sonder la température locale dans un chaud, substrat non uniforme sans avoir besoin d'un porte-à-faux thermique.
"Cette forme de thermométrie à balayage nanométrique peut jouer un rôle important dans la caractérisation des "points chauds" formés aux jonctions des hétérostructures semi-conductrices, connu pour être critique dans la génération de chaleur dans les dispositifs électroniques intégrés, " dit Meriles.
