A medida que los dispositivos continúan reduciéndose, se presentan nuevos desafíos en su medición y diseño. Para los dispositivos basados ​​en uniones moleculares, en los que moléculas individuales se unen a metales o semiconductores, contamos con una variedad de técnicas para estudiar y caracterizar sus propiedades de transporte eléctrico. Por el contrario, probar las propiedades de transporte térmico de tales uniones a nanoescala ha resultado más desafiante, y muchos fenómenos cuánticos relacionados con la temperatura en ellos siguen sin comprenderse bien.

En algunos estudios, los científicos lograron medir las propiedades de transporte térmico en uniones moleculares a nanoescala utilizando una técnica llamada microscopía térmica de barrido (SThM). Este método consiste en poner una punta metálica muy afilada en contacto con el material objetivo y mover esta punta por toda la superficie del material. La punta, que se calienta desde atrás con un láser, contiene un termopar. Este pequeño dispositivo mide las diferencias de temperatura y, por lo tanto, al equilibrar el calentamiento de la punta causado por el láser con el enfriamiento de la punta causado por el calor que fluye hacia la muestra objetivo, es posible medir punto por punto las características de transporte térmico de un material.

En un estudio reciente publicado en Journal of the American Chemical Society , los científicos de Tokyo Tech informaron un hallazgo fortuito pero importante mientras usaban SThM. El equipo estaba empleando una técnica SThM para medir las propiedades de transporte térmico de las monocapas autoensambladas (SAM). Estas muestras contenían franjas alternas de cada uno de los tres pares posibles entre n-hexadecanotiol, n-butanotiol y bencenotiol. Además de emplear el enfoque SThM estándar basado en contacto, los investigadores también intentaron usar un régimen sin contacto, en el que la punta del microscopio térmico de barrido se mantuvo sobre la muestra sin tocarla. Inesperadamente, se dieron cuenta de que este régimen sin contacto tenía un gran potencial.

En el régimen de contacto SThM, el calor fluye directamente desde la punta a la muestra. Por el contrario, en el régimen SThM sin contacto, la única transferencia de calor entre la punta y la muestra se produce a través de la radiación de calor. Como aprendió el equipo a través de los experimentos, mientras que el régimen de contacto es mejor para visualizar las características del transporte térmico, el régimen sin contacto es mucho más sensible a la longitud real de las moléculas que "sobresalen" del sustrato. Por lo tanto, la combinación de los regímenes de contacto y sin contacto proporciona una forma completamente nueva de crear imágenes topográficas y de transporte térmico de una muestra simultáneamente.

Además, el enfoque sin contacto tiene ventajas sobre otras técnicas de microscopía bien establecidas, como explica el profesor asociado Shintaro Fujii, autor principal del artículo:"El enfoque SThM sin contacto es completamente no destructivo, a diferencia de otras técnicas como la fuerza atómica. microscopía, que requiere contacto entre la punta de escaneo y la muestra y, por lo tanto, tiene un impacto mecánico que puede dañar los materiales orgánicos blandos".

En general, la información proporcionada por este estudio allanará el camino hacia nuevos avances tecnológicos y una comprensión más profunda de los materiales a nanoescala. "Nuestro trabajo no solo es el primero en proporcionar imágenes térmicas de SAM orgánicas, sino que también proporciona una nueva técnica para investigar las propiedades de transporte térmico, que será esencial para la gestión térmica en varios tipos de nanodispositivos", concluye Fujii.

Esperemos que este trabajo ayude a los científicos a dilucidar los muchos misterios de los fenómenos térmicos. + Explora más

Los investigadores presentan una nueva ruta para las mediciones térmicas con resolución nanométrica