Alors que les appareils continuent de se rétrécir, de nouveaux défis dans leur mesure et leur conception se présentent. Pour les dispositifs basés sur des jonctions moléculaires, dans lesquels des molécules uniques sont liées à des métaux ou à des semi-conducteurs, nous disposons de diverses techniques pour étudier et caractériser leurs propriétés de transport électrique. En revanche, sonder les propriétés de transport thermique de ces jonctions à l'échelle nanométrique s'est avéré plus difficile, et de nombreux phénomènes quantiques liés à la température restent mal compris.

Dans quelques études, les scientifiques ont réussi à mesurer les propriétés de transport thermique dans les jonctions moléculaires à l'échelle nanométrique en utilisant une technique appelée microscopie thermique à balayage (SThM). Cette méthode consiste à mettre une pointe métallique très pointue en contact avec le matériau cible et à déplacer cette pointe sur toute la surface du matériau. La pointe, qui est chauffée par l'arrière à l'aide d'un laser, contient un thermocouple. Ce petit appareil mesure les différences de température, et ainsi en équilibrant le chauffage de la pointe provoqué par le laser avec le refroidissement de la pointe provoqué par la chaleur circulant dans l'échantillon cible, il devient possible de mesurer les caractéristiques de transport thermique d'un matériau point par point.

Dans une étude récente publiée dans Journal of the American Chemical Society , des scientifiques de Tokyo Tech ont rapporté une découverte fortuite mais importante lors de l'utilisation de SThM. L'équipe utilisait une technique SThM pour mesurer les propriétés de transport thermique des monocouches auto-assemblées (SAM). Ces échantillons contenaient des bandes alternées de chacune des trois paires possibles parmi le n-hexadécanethiol, le n-butanethiol et le benzènethiol. Outre l'utilisation de l'approche SThM standard basée sur le contact, les chercheurs ont également essayé d'utiliser un régime sans contact, dans lequel la pointe du microscope thermique à balayage était maintenue au-dessus de l'échantillon sans le toucher. De manière inattendue, ils ont réalisé que ce régime sans contact avait un potentiel sérieux.

Dans le régime de contact SThM, la chaleur circule directement de la pointe vers l'échantillon. En revanche, dans le régime SThM sans contact, le seul transfert de chaleur entre la pointe et l'échantillon se produit via le rayonnement thermique. Comme l'équipe l'a appris par des expériences, alors que le régime de contact est le meilleur pour visualiser les caractéristiques de transport thermique, le régime sans contact est beaucoup plus sensible à la longueur réelle des molécules "qui sortent" du substrat. Ainsi, la combinaison des régimes sans contact et avec contact offre une toute nouvelle façon de créer simultanément des images de transport topographique et thermique d'un échantillon.

De plus, l'approche sans contact présente des avantages par rapport à d'autres techniques de microscopie bien établies, comme l'explique le professeur agrégé Shintaro Fujii, auteur principal de l'article :« L'approche SThM sans contact est totalement non destructive, contrairement à d'autres techniques comme la force atomique. microscopie, qui nécessite un contact entre la pointe de balayage et l'échantillon et a donc un impact mécanique qui peut endommager les matériaux organiques mous."

Dans l'ensemble, les informations fournies par cette étude ouvriront la voie à de nouvelles avancées technologiques et à une compréhension plus approfondie des matériaux à l'échelle nanométrique. "Notre travail est non seulement le premier à fournir des images thermiques de SAM organiques, mais fournit également une nouvelle technique pour étudier les propriétés de transport thermique, qui seront essentielles pour la gestion thermique dans divers types de nanodispositifs", conclut Fujii.

Espérons que ce travail aide les scientifiques à élucider les nombreux mystères des phénomènes thermiques. + Explorer plus loin

Les chercheurs introduisent une nouvelle voie vers les mesures thermiques avec une résolution nanométrique