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(a) 実験装置の概略図。電流がAFM カンチレバー(リンドープSi、P:Si) のアームに印加され、先端 (真性Si、i -Si)より上の端部セクションを加熱します。下部レンズは、緑色レーザー光でダイヤモンドナノ結晶を励起し、フォトルミネッセンス(PL) を収集します。結晶は NV 中心をホストし、AFM チップに取り付けられています。サンプル表面のワイヤは、マイクロ波源 (mw) として機能します。カンチレバーの温度 T hは、印加電流と電圧から決定されます。
(b) 3 つの温度での NV 中心の光学的に検出された磁気共鳴スペクトル。
(c)サファイア上の金の文字 E の熱伝導率画像。白い円は、AFM トポグラフィーと相関しない特徴を示します。(d) ダイヤモンドナノ結晶が明るいスポットとして現れる AFM カンチレバーの端と先端の PL 画像。(e) d の NV 中心の拡大 PL 画像。[2]
走査型熱顕微鏡（SThM ）は、界面の局所温度と熱伝導率をマッピングする走査型プローブ顕微鏡の一種です。走査型熱顕微鏡のプローブは局所温度に敏感で、ナノスケールの温度計として機能します。ナノメートルスケールでの熱測定は、科学的にも産業的にも興味深いものです。この技術は、1986年にクレイトン・C・ウィリアムズとH・クマール・ウィクラマシンゲによって発明されました。[3]
アプリケーション
SThM はナノスケールでの熱測定を可能にします。測定対象には、温度、材料の熱特性、熱伝導率、熱容量、ガラス転移温度、潜熱、 エンタルピーなどが含まれます。用途には以下が含まれます。
- 超大規模集積回路（ULSI）リソグラフィー研究と生化学における細胞診断。[4] [5] [6] [7]
- ポリマーブレンドの相変化などのパラメータを検出する。 [8]
- ジュール熱[9]
- 半導体デバイスにおける材料変動の測定[10]
- 地下画像化[8] [11]
- 近接場光熱顕微分光法[12]
- データストレージ[13] [14]
- 熱量測定の応用[4] [5] [15]
- 集積回路のホットスポット[16]
- 低温走査熱顕微鏡[17]
- SThM-FMR法で実現される強磁性共鳴と組み合わせた磁気分光法[18]
- その他の用途[19]
技術
SThM では、特殊なプローブを使用する必要があります。熱プローブには 2 種類あります。熱電対プローブでは、プローブの先端にある熱電対接合部によってプローブ温度が監視され、抵抗プローブまたはボロメータプローブでは、プローブの先端にある薄膜抵抗器によってプローブ温度が監視されます。これらのプローブは、通常、シリコン基板上の薄い誘電体フィルムで作られ、金属または半導体フィルム ボロメータを使用して先端温度を感知します。より複雑なマイクロ加工法を使用する他のアプローチも報告されています。[20]ボロメータ プローブでは、抵抗器が局所ヒーターとして使用され、プローブ抵抗のわずかな変化を使用してサンプルの温度や熱伝導率を検出します。[15]先端がサンプルに接触すると、熱が先端からサンプルに流れます。プローブをスキャンすると、熱流量が変わります。熱流量を監視することで、サンプルの熱マップを作成し、サンプル内の熱伝導率の空間的な変化を明らかにすることができます。校正プロセスを通じて、SThM は熱伝導率の定量的な値を明らかにすることができます。[21] あるいは、サンプルを能動的に加熱し（例えば、電源回路）、サンプル上の温度分布を視覚化することもできる。
チップとサンプル間の熱伝達には、
- 固体間伝導。プローブの先端からサンプルまで。これが熱スキャンを生み出す転送メカニズムです。
- 液体-液体伝導。湿度がゼロでない状態でスキャンすると、チップとサンプルの間に液体メニスカスが形成されます。この液滴を通じて伝導が発生します。
- ガス伝導。熱はプローブ先端のエッジを通してサンプルに伝達されます。
参考文献
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、走査型熱顕微鏡に関連するメディアがあります。
- SThMチュートリアル
- SThM-FMR 技術 2015-03-21 にWayback Machineでアーカイブ
- SThMデザイン