Встречайте новый класс устройств - нанотермометры
 Изображение - топография; нижнее - получено при помощи нового устройства. изображение из оригинальной статьи. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) – один из самых современных способов получить изображения чрезвычайно маленьких объектов.
Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа основан на туннельном эффекте. Согласно законам квантовой механики, существует ненулевая вероятность туннелирования электрона через потенциальный барьер при достаточно малом размере этого барьера. При этом вероятность туннелирования экспоненциально убывает при увеличении ширины потенциального барьера. Переводя это на язык практики, при достаточно маленьком зазоре между двумя проводниками, между ними будет проходить электрический ток даже при отсутствии физического контакта; при этом ток будет экспоненциально убывать при увеличении расстояния между проводниками.
В упрощенном виде сканирующий туннельный микроскоп представляет собой плоский образец и тонкую иглу, между которыми приложена разность потенциалов. Игла (зонд) движется вдоль поверхности образца, а величина тока фиксируется при помощи системы обратной связи. Таким образом, игла описывает рельеф поверхности с заданным разрешением (разрешение картинки, очевидно, зависит от частоты измерений). Сканирующий туннельный микроскоп – родоначальник целого спектра измерительных приборов для исследования различных свойств поверхности.
Атомно-силовой микроскоп (АСМ), о котором идет речь в работе французских ученых, – один из вариантов развития идеи сканирующей туннельной микроскопии. Зонд в этом микроскопе так же движется вдоль поверхности образца, но при этом в качестве основной характеристики используется не туннельный ток, а сила взаимодействия молекул зонда с молекулами образца (силы Ван-дер-Ваальса, величина которых также экспоненциально зависит от расстояния). В отличии от СТМ, АСМ не требует, чтобы образец и зонд были проводящими. Кроме того, а специальные варианты зондов позволяют исследовать не только рельеф и молекулярные силы, но также электрические и магнитные свойства вещества.
Работа французских ученых показывает, что к списку доступных для исследования при помощи АСМ свойств поверхности можно прибавить и температуру. Их идея основана на свойстве флуоресценции некоторых веществ. При нагревании флуоресцентного материала, интенсивность его излучения уменьшается. При достаточно высокой температуре оно может быть полностью подавлено.
Чтобы измерить при помощи атомного силового микроскопа локальную температуру, специалисты поместили на конце острия (зонда АСМ) маленькую частицу флуоресцирующего вещества. В результате при сканировании поверхности образца они получили возможность оценить спектр излучения частицы, а значит и температуру, в каждой из точек. В своей работе ученые специально использовали простые формы образцов, чтобы подтвердить экспериментальные результаты компьютерным моделированием температурного поля. Как и ожидалось, результаты моделирования совпали в фактическими измерениями.
С помощью созданного прибора можно контролировать температуру как макро, так и наноустройств. Особое значение данная технология имеет благодаря возможности изучения перехода тепла между наноустройствами.
Также по теме:
Источники:
- E. Saïdi, B. Samson, L. Aigouy, S. Volz, P. Löw, C. Bergaud, and M. Mortier. (2009) Scanning thermal imaging by near-field fluorescence spectroscopy. Nanotechnology, 20 115703