УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НАНООБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к нанотехнологическим средствам измерения температуры.
Известен нанотермометр, выполненный из углеродной нанотрубки, заполненной галлием. Температура определяется с помощью электронного микроскопа по удлинению столбика Ga. [Афонский А.А., Дьяконов В.П. Электронные измерения в нанотехнологиях и микроэлектронике, М.: ДМК Пресс, 2011, 66 с.].
Недостатком данного нанотермометра является сложность снятия показаний такого термометра, так как измерения проводятся в вакууме. Кроме того, локальность измерения лимитируется протяженностью нанотрубки, то есть единицами мкм.
Известно устройство для измерения температуры в наномасштабе на основе модификации сканирующего атомно-силового микроскопа, на конце острия зонда, которого находится наночастица флуоресцирующего вещества [. B. Samson, L. Aigouy, S. Volz, , C. Bergaud, and M. Mortier. (2009)
Сканирующее термоизображение полевой флуорисцентной спектроскопии. Nanotechnology. 20 115703]. В результате, при сканировании поверхности образца, измеряется спектр излучения частицы, а значит, и температура в каждой пространственной точке поверхности образца, вдоль которой движется зонд.
Однако, при нагревании флуоресцентного материала интенсивность его излучения уменьшается и при относительно высокой температуре флуоресценция может быть полностью подавлена. Кроме того, интенсивность флуоресценции зависит не только от температуры, но и от силы взаимодействия молекул зонда с молекулами образца, поэтому возникает трудность калибровки температуры. Так же, для всех устройств, использующих флуоресценцию, существует сложность измерения, обусловленная низкой интенсивностью флуоресценции, тем более из нанообъема.
Известен нанотермометр, включающий кантилевер сканирующего зондового микроскопа с острийным зондом, представляющим собой термопару, выполненную из двух разнородных (серебро и никель) металлических микро (толщиной 500-1000 нм), холодные концы которых закреплены на теле кантилевера, а их спай является острием зонда [M.E. Bourg, W.E. van der Veer,  and R.M. Penner. Субмикронные гальванические термопары с микросекундным откликом. Nano Lett., 2007. 7 (10), рр. 3208-3213].
Недостатками известного нанотермометра являются: во-первых, низкая достоверность получаемых результатов измерения из-за того, что при контакте с контролируемой наночастицей (или участком поверхности) образуется тройной контакт материалов: двух металлов термопары и зондируемой наночастицы. Это обстоятельство существенно искажает функцию преобразования сенсора (термопары). Во-вторых, при контакте наночастицы с таким нанозондом, размеры которого больше размеров наночастицы, возможно повреждение последней, а локальность измерения определяется размером зонда термопары с типичной величиной не менее 0.5-1 микрон.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому устройству, свободным от недостатков предыдущего аналога, является нанотермометр представляющий собой сканирующий зондовый микроскоп, в состав которого входят держатель зонда, термочувствительный элемент и омические контакты для подсоединения измерительной цепи. Причем, зонд является термочувствительным элементом и выполнен в виде микрополосковой линии, центральный полосок которой заканчивается металлическим наноострием, сам острийный зонд выполняет роль одного из контактов термопары, а в качестве второго контакта выступает зондируемая наночастица [Патент РФ №2431151, МПК G01Q 30/02,, опубл. 10.10.2011 - прототип]. Измеряя величину термо-ЭДС данной термопары, определяют значение температуры нанообъекта, соприкосающегося с зондом.
Недостатком прототипа является сложность измерений и их недостаточная точность. Это связано с необходимостью калибровки устройства каждый раз при переходе к измерению температуры образца, отличающегося по химическому и/или элементному составу от предшествующего. Количественные характеристики функции преобразования, связывающей температуру и термо-ЭДС, существенным образом зависят как от состава, так и иных свойств материалов контактирующих зонда и наночастицы, что в данном случае отрицательно влияет на точность измерений.
Техническая задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, состоит в повышении достоверности получаемых данных при измерении температуры, отличающихся по составу нанообъектов (наночастиц) и исключении необходимости многократной калибровки сенсорного элемента.
Поставленная техническая задача, решается тем, что в устройстве для измерения температуры нанообъектов, представляющем собой сканирующий зондовый микроскоп, в состав которого входят держатель зонда, термочувствительный элемент и омические контакты, подсоединенные к измерительной цепи, согласно заявляемой полезной модели, держатель зонда выполнен в виде пластины с коническим выступом, на боковой поверхности которого сформированы омические контакты, а термочувствительный элемент выполнен из графена в форме ленты переменной ширины, имеющей вид петли, концы которой закреплены на омических контактах, причем высота петли не менее высоты конического выступа, а ширина ленты, из которой выполнена петля, на концах больше, чем в центральной ее части.
Заявляемая полезная модель характеризуется следующими дополнительными существенными признаками:
- в центральной части графеновая лента имеет ширину менее 500 нм;
- держатель выполнен из кремния или германия;
- боковая поверхность конического выступа покрыта электроизолирующим слоем, гальванически разъединяющим конический выступ и графеновую ленту;
- графеновая лента выполнена в виде двутаврового профиля;
- центральная часть графеновой ленты выполнена в форме прямоугольника, а периферийные участки графеновой ленты выполнены в форме трапеции, причем нижние основания трапеций являются торцевыми кромками графеновой ленты.
Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявляемой совокупности существенных признаков, заключается в повышении точности измерения температуры при одновременном упрощении процедуры ее измерения.
Суть заявленного технического решения иллюстрируется рисунками, где:
на фиг. 1 представлена конструкция заявляемого устройства,
Фигура содержит следующие обозначения:
1 - держатель зонда;
2 - конический выступ;
3 - электроизолирующий слой;
4 - омические контакты;
5 - графеновая лента
на фиг. 2 приведены зависимости концентрации свободных носителей заряда n, определяющей электропроводимость графена, от температуры Т для ряда значений ширины W графеновой ленты. Под немерным графеном подразумевается графеновая лента шириною более 500-1000 нм.
на фиг. 3 представлены варианты выполнения формы графеновой ленты.
Устройство для измерения температуры нанообъектов (фиг. 1) представляет собой сканирующий зондовый микроскоп и содержит держатель зонда 1, на коническом выступе 2 которого, сформированы электроизолирующий слой 3 и омические контакты 4 для подсоединения измерительной цепи к концам графеновой ленты 5.
Благодаря тому, что измерительная цепь не включает в себя, как в прототипе, зондируемую наночастицу, повышается достоверность получаемых данных при измерении температуры, отличающихся по составу нанообъектов (наночастиц), так как измеряемая величина не зависит от изменения элементного состава нанообъектов. Следовательно, предложенным техническим устройством мы можем проводить измерения температуры нанообъектов независимо от их состава. То есть, исключается необходимость многократной калибровки сенсорного элемента и, как результат, упрощается процедура измерения.
Предлагаемые варианты геометрии графеновой ленты (фиг. 3), объединены общим признаком - периферийные I участки ленты имеют большую ширину W, чем центральная II.
Как следует из графиков, приведенных на фиг. 2, графен проявляет значительно более выраженную зависимость омического сопротивления от размеров, чем обычные проводники и полупроводники. Это обстоятельство позволяет минимизировать влияние «холодных» периферийных участков ленты на результаты измерения зависимости общего сопротивления ленты от температуры нанообъекта, с которым соприкасается центральная часть ленты 5. На фиг. 2 отчетливо видно, что при ширине ленты более 500-1000 нм, ее размеры уже не влияют на количественные изменения удельной проводимость ленты от температуры.
Следовательно, если центральная часть ленты будет иметь ширину менее 500 нм, а периферийные участки более 1000 нм, удается минимизировать погрешность измерения, обусловленную «холодными» широкими периферийными участками графеновой ленты.
Графеновая лента (фиг. 3) может быть выполнена в виде двутаврового профиля. Либо графеновая лента может быть выполнена с центральной частью в форме прямоугольника, а периферийные участки графеновой ленты выполнены в форме трапеции, причем нижние основания трапеций являются торцевыми кромками графеновой ленты.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
С помощью привода сканирующего туннельного микроскопа петлю, выполненную из графеновой ленты 5, приближают к участку контролируемой поверхности и через омические контакты 4 измеряют удельную проводимость ленты 5 любым известным способом. Для предотвращения влияния проводимости держателя 1 на результаты измерения, контакты 4 омически изолированы с помощью электроизолирующего слоя 3. Тем самым, повышается точность измерений, что обеспечивает повышение достоверности получаемых данных при измерении температуры. По результатам измерений определяют температуру интересующего участка. В качестве калибровочной кривой для определения температуры по результатам измерений может быть использован набор графиков, аналогичных приведенным на фиг. 2. Это обстоятельство обусловлено тем, что из-за существенно меньшей, по сравнению с металлами, концентрации свободных носителей заряда в графене, проводимость графеновой ленты в широком диапазоне температур практически прямо пропорциональна концентрации свободных носителей заряда
Коническая форма выступа 2, к которой крепится лента 5, обеспечивает уменьшение радиуса кривизны образованной лентой 5 петли, тем самым увеличивая планарную локальность (точность) выполняемых устройством измерительных процедур.
Выполнение держателя 1 с выступом 2 из кремния Si или германия Ge, обусловлено тем обстоятельством, что на этих материалах сравнительно просто сформировать конический выступ, например, методом самовыращивания из расплава при локальном расплавлении участка поверхности заготовки электронным или лазерным лучом.