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 le nanomonde.

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, limitant leur fiabilité.

Motivés par ce défi et leur besoin de caractériser précisément 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 Communication Nature , « Cartographie de la température des dispositifs nanométriques en fonctionnement par thermométrie à sonde à balayage. »

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), ouvrir la porte aux nanotechnologies. Quelques années plus tard, l'invention a été reconnue avec 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.

Dr Fabian Menges, un post-doctorant IBM et co-inventeur de la technique dit, "Nous avons commencé en 2010 et n'avons tout simplement jamais abandonné. Les recherches précédentes se concentraient sur un thermomètre à l'échelle nanométrique, mais nous aurions dû inventer un thermomètre pour l'échelle nanométrique, une distinction importante. Cet ajustement nous a conduit 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."

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 vous utilisez 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 s'équilibrer sans perturber significativement la température du virus.

Pour résoudre ce défi, Les scientifiques d'IBM ont développé 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 se faire une idée de la température d'un objet, mais cela peut aussi être trompeur si la résistance au flux de chaleur est inconnue."

Précédemment, 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 le journal, les auteurs ont inclus les effets des variations locales de 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, il rencontre le tiercé gagnant pour les outils :il est facile à utiliser, simple à construire, et très polyvalent, en ce qu' il peut être utilisé pour mesurer la température de points chauds de taille nano et micro pouvant affecter localement les propriétés physiques des matériaux ou régir des réactions chimiques dans des dispositifs tels que des transistors, cellules mémoire, convertisseurs d'énergie thermoélectrique ou structures plasmoniques. Les applications sont infinies."

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, bruit acoustique, signaux électromagnétiques et fluctuations de température, aidé l'équipe à atteindre une précision inférieure au milliKelvin.

"Alors que nous avons profité de cette chambre unique, la technique peut également produire des résultats fiables dans un environnement normal, " dit Menges.

Prochaines étapes

"Nous espérons que l'article produira à la fois beaucoup d'enthousiasme et de soulagement pour les scientifiques, qui nous aime, ont été à la recherche d'un tel outil, " dit Gotsmann. " Semblable à la STM, nous espérons licencier cette technique aux fabricants d'outils qui pourront ensuite la commercialiser en tant que fonction supplémentaire à leur gamme de produits de microscopie. »