Сканирующая термическая микроскопия

Сканирующая термическая микроскопия ( SThM ) — это тип сканирующей зондовой микроскопии , которая отображает локальную температуру и теплопроводность границы раздела. Зонд сканирующего термического микроскопа чувствителен к локальным температурам, что позволяет использовать термометр наномасштаба. Тепловые измерения в нанометровом масштабе представляют как научный, так и промышленный интерес. Эту технику изобрели Клейтон К. Уильямс и Х. Кумар Викрамасингхе в 1986 году. ^[3]

Приложения

SThM позволяет проводить тепловые измерения на наноуровне. Эти измерения могут включать: температуру, тепловые свойства материалов, теплопроводность , теплоемкость , температуру стеклования , скрытую теплоту , энтальпию и т. д. Приложения включают в себя:

исследования со сверхвысокой интеграцией (ULSI) Литографические и клеточная диагностика в биохимии. ^[4]^[5]^[6]^[7]
Обнаружение таких параметров, как фазовые изменения в полимерных смесях. ^[8]
Джоулево отопление ^[9]
Измерение изменений материалов в полупроводниковых устройствах ^[10]
Визуализация недр ^[8]^[11]
Фототермическая микроспектроскопия ближнего поля ^[12]
Хранение данных ^[13]^[14]
калориметрии Приложения ^[4]^[5]^[15]
Горячие точки в интегральных схемах ^[16]
Низкотемпературная сканирующая термическая микроскопия ^[17]
Магнитная спектроскопия в сочетании с ферромагнитным резонансом, реализованная методом СТМ-ФМР. ^[18]
Другие приложения ^[19]

Техника

SThM требует использования специализированных зондов. Существует два типа термозондов: термопарные зонды, в которых температура зонда контролируется спаем термопары на кончике зонда, и резистивные или болометрические зонды, в которых температура зонда контролируется тонкопленочным резистором на кончике зонда. Эти зонды обычно изготавливаются из тонких диэлектрических пленок на кремниевой подложке и используют болометр из металлической или полупроводниковой пленки для измерения температуры наконечника. Сообщалось также о других подходах, использующих более сложные методы микрообработки. ^[20] В болометрическом зонде резистор используется в качестве местного нагревателя, а частичное изменение сопротивления зонда используется для определения температуры и/или теплопроводности образца. ^[15] Когда наконечник контактирует с образцом, тепло передается от наконечника к образцу. По мере сканирования зонда величина теплового потока меняется. Контролируя тепловой поток, можно создать тепловую карту образца, выявляющую пространственные изменения теплопроводности в образце. Посредством процесса калибровки SThM может выявить количественные значения теплопроводности. ^[21] В качестве альтернативы образец можно активно нагревать, например, с помощью электрической цепи, чтобы визуализировать распределение температур на образце.

Теплопередача зонд-образец может включать в себя

Твердо-твердая проводимость. Наконечник зонда для отбора проб. Это механизм передачи, который обеспечивает тепловое сканирование.
Проводимость жидкость-жидкость. При сканировании в условиях ненулевой влажности между зондом и образцом образуется жидкий мениск. Через эту каплю жидкости может происходить проводимость.
Газопроводность. Тепло может передаваться через края наконечника зонда к образцу.

Ссылки

^ Цуй, Лунджи; Чон, Вонхо; Фернандес-Уртадо, Виктор; Файст, Йоханнес; Гарсиа-Видаль, Франсиско Х.; Куэвас, Хуан Карлос; Мейхофер, Эдгар; Редди, Прамод (2017). «Исследование радиационной теплопередачи в зазорах Ангстрема и нанометров» . Природные коммуникации . 8 . Бибкод : 2017NatCo...8.....C . дои : 10.1038/ncomms14479 . ПМЦ 5330859 . ПМИД 28198467 .
^ Ларауи, Абдельгани; Эйкок-Риццо, Галли; Гао, Ян; Лу, Си; Риедо, Элиза; Мерилес, Карлос А. (2015). «Изображение теплопроводности с наномасштабным разрешением с использованием сканирующего спинового зонда» . Природные коммуникации . 6 : 8954. arXiv : 1511.06916 . Бибкод : 2015NatCo...6.8954L . дои : 10.1038/ncomms9954 . ПМЦ 4673876 . ПМИД 26584676 .
^ Уильямс, СиСи и Викрамасингхе, Гонконг (1986). «Сканирующий термопрофайлер». Прил. Физ. Летт . 49 (23): 1587–1589. Бибкод : 1986ApPhL..49.1587W . дои : 10.1063/1.97288 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Jump up to: ^а ^б Ли, МХ., Джанчандани, Ю.Б. (2003). «Применение болометрического зонда с полиимидным хвостовиком с низкой контактной силой для химической и биологической диагностики». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 104 (3): 236–245. дои : 10.1016/S0924-4247(03)00026-8 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Jump up to: ^а ^б Ли, Миннесота; и др. (2001). «Поверхностные микрообработанные полиимидные сканирующие термопары». Журнал микроэлектромеханических систем . 10 :3–9. дои : 10.1109/84.911085 .
^ Окола, Ле; и др. (1996). «Формирование скрытого изображения: наноразмерная топография и калориметрические измерения в химически усиленных резистах». Журнал вакуумной науки и техники Б. 14 (6): 3974–3979. Бибкод : 1996JVSTB..14.3974O . дои : 10.1116/1.588626 .
^ Басу, А.С.; и др. (2004). «Сканирующая термическая литография: безмасочное субмикронное термохимическое формирование рисунка фоторезиста с помощью сверхподатливых зондов». Журнал вакуумной науки и техники Б. 22 (6): 3217–3220. Бибкод : 2004JVSTB..22.3217B . дои : 10.1116/1.1808732 . S2CID 15455318 .
^ Jump up to: ^а ^б Хаммиш, А.; и др. (1996). «Подповерхностное изображение с помощью сканирующей термической микроскопии». Измер. наук. Технол . 7 (2): 142. Бибкод : 1996MeScT...7..142H . дои : 10.1088/0957-0233/7/2/004 . S2CID 250787874 .
^ Луо, К.; и др. (1996). «Наноизготовление сенсоров на кантилеверных наконечниках зондов для сканирующей многозондовой микроскопии». Прил. Физ. Летт . 68 (3): 325–327. Бибкод : 1996АпФЛ..68..325Л . дои : 10.1063/1.116074 .
^ Лай, Дж.; и др. (1995). «Термическое обнаружение неисправности устройства методом атомно-силовой микроскопии». Письма об электронных устройствах IEEE . 16 (7): 312–315. Бибкод : 1995IEDL...16..312L . дои : 10.1109/55.388718 . S2CID 42233076 .
^ Ли, Дж. Х., Джанчандани, Ю. Б. Обзор научных инструментов (2004). «Сканирующий термозонд высокого разрешения с сервоуправляемой интерфейсной схемой для микрокалориметрии и других применений» (PDF) . Обзор научных инструментов . 75 (5): 1222–1227. Бибкод : 2004RScI...75.1222L . дои : 10.1063/1.1711153 . hdl : 2027.42/69814 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Хаммиш, А.; и др. (1999). «Фототермическая ИК-Фурье-спектроскопия: шаг к ИК-Фурье-микроскопии с разрешением лучше дифракционного предела». Прикладная спектроскопия . 53 (7): 810–815. Бибкод : 1999ApSpe..53..810H . дои : 10.1366/0003702991947379 . S2CID 93359289 .
^ Веттигер, П.; и др. (2000). «Многоножка» — более тысячи советов по будущему хранению АСМ». IBM J. Res. Дев . 44 (3): 323–340. дои : 10.1147/rd.443.0323 .
^ Лерхнер, Дж.; и др. (2000). «Колориметрическое обнаружение летучих органических соединений». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 70 (1–3): 57–66. дои : 10.1016/S0925-4005(00)00554-2 .
^ Jump up to: ^а ^б Ли, Дж.Х. и др. Международный семинар по термическим исследованиям микросхем и систем (THERMINIC 2002), Мадрид, Испания, октябрь 2002 г., стр. 111–116.
^ Хендарто, Э.; и др. (2005). Материалы 43-го ежегодного Международного симпозиума по физике надежности IEEE : 294–299
^ Дж. Ву, М. Ридинг, DQM Крейг (2008). «Применение калориметрии, атомно-силовой микроскопии при комнатной температуре и динамического механического анализа для исследования замороженных водных растворов трегалозы». Фармацевтические исследования . 25 (6): 1396–1404. дои : 10.1007/s11095-007-9530-y . ПМИД 18256792 . S2CID 9471815 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Р. Меккеншток; И. Барсуков; К. Биркан; А. Ремхофф; Д. Дитцель; Д. Споддиг (2006). «Визуализация ферромагнитных резонансных возбуждений в наноструктурах пермаллоя на Si с помощью сканирующей ближнепольной термической микроскопии». Дж. Прил. Физ . 99 (8): 08С706. Бибкод : 2006JAP....99hC706M . дои : 10.1063/1.2171929 .
^ Маджумдар А. Сканирующая термическая микроскопия. Анну. Преподобный Матер. наук. (1999). «Сканирующая термическая микроскопия». Ежегодный обзор материаловедения . 29 : 505. Бибкод : 1999AnRMS..29..505M . дои : 10.1146/annurev.matsci.29.1.505 . S2CID 98802503 .
^ Джанчандани Ю., Наджафи К. (1997). «Кремниевый микромашинный сканирующий термопрофилометр со встроенными элементами для измерения и срабатывания». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 44 (11): 1857–1868. Бибкод : 1997ITED...44.1857G . дои : 10.1109/16.641353 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Наср Исфахани, Эхсан; Ма, Фейюэ; Ван, Шаньюй; Оу, Юн; Ян, Цзихуэй; Ли, Цзянъюй (2017). «Количественное наномасштабное картирование трехфазной теплопроводности в заполненных скуттерудитах с помощью сканирующей термической микроскопии». Национальный научный обзор . 5 : 59–69. arXiv : 1702.01895 . Бибкод : 2017arXiv170201895N . дои : 10.1093/nsr/nwx074 .

Внешние ссылки

Учебное пособие по SThM
Методика SThM-FMR. Архивировано 21 марта 2015 г. на Wayback Machine.
конструкции СТХМ

[1] Цуй, Лунджи; Чон, Вонхо; Фернандес-Уртадо, Виктор; Файст, Йоханнес; Гарсиа-Видаль, Франсиско Х.; Куэвас, Хуан Карлос; Мейхофер, Эдгар; Редди, Прамод (2017). «Исследование радиационной теплопередачи в зазорах Ангстрема и нанометров» . Природные коммуникации . 8 . Бибкод : 2017NatCo...8.....C . дои : 10.1038/ncomms14479 . ПМЦ 5330859 . ПМИД 28198467 .

[thc-2] Ларауи, Абдельгани; Эйкок-Риццо, Галли; Гао, Ян; Лу, Си; Риедо, Элиза; Мерилес, Карлос А. (2015). «Изображение теплопроводности с наномасштабным разрешением с использованием сканирующего спинового зонда» . Природные коммуникации . 6 : 8954. arXiv : 1511.06916 . Бибкод : 2015NatCo...6.8954L . дои : 10.1038/ncomms9954 . ПМЦ 4673876 . ПМИД 26584676 .

[3] Уильямс, СиСи и Викрамасингхе, Гонконг (1986). «Сканирующий термопрофайлер». Прил. Физ. Летт . 49 (23): 1587–1589. Бибкод : 1986ApPhL..49.1587W . дои : 10.1063/1.97288 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[M-H._2003-4] Jump up to: ^а ^б Ли, МХ., Джанчандани, Ю.Б. (2003). «Применение болометрического зонда с полиимидным хвостовиком с низкой контактной силой для химической и биологической диагностики». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 104 (3): 236–245. дои : 10.1016/S0924-4247(03)00026-8 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[M-H._2001-5] Jump up to: ^а ^б Ли, Миннесота; и др. (2001). «Поверхностные микрообработанные полиимидные сканирующие термопары». Журнал микроэлектромеханических систем . 10 :3–9. дои : 10.1109/84.911085 .

[6] Окола, Ле; и др. (1996). «Формирование скрытого изображения: наноразмерная топография и калориметрические измерения в химически усиленных резистах». Журнал вакуумной науки и техники Б. 14 (6): 3974–3979. Бибкод : 1996JVSTB..14.3974O . дои : 10.1116/1.588626 .

[7] Басу, А.С.; и др. (2004). «Сканирующая термическая литография: безмасочное субмикронное термохимическое формирование рисунка фоторезиста с помощью сверхподатливых зондов». Журнал вакуумной науки и техники Б. 22 (6): 3217–3220. Бибкод : 2004JVSTB..22.3217B . дои : 10.1116/1.1808732 . S2CID 15455318 .

[Hammiche,_A._1996-8] Jump up to: ^а ^б Хаммиш, А.; и др. (1996). «Подповерхностное изображение с помощью сканирующей термической микроскопии». Измер. наук. Технол . 7 (2): 142. Бибкод : 1996MeScT...7..142H . дои : 10.1088/0957-0233/7/2/004 . S2CID 250787874 .

[9] Луо, К.; и др. (1996). «Наноизготовление сенсоров на кантилеверных наконечниках зондов для сканирующей многозондовой микроскопии». Прил. Физ. Летт . 68 (3): 325–327. Бибкод : 1996АпФЛ..68..325Л . дои : 10.1063/1.116074 .

[10] Лай, Дж.; и др. (1995). «Термическое обнаружение неисправности устройства методом атомно-силовой микроскопии». Письма об электронных устройствах IEEE . 16 (7): 312–315. Бибкод : 1995IEDL...16..312L . дои : 10.1109/55.388718 . S2CID 42233076 .

[11] Ли, Дж. Х., Джанчандани, Ю. Б. Обзор научных инструментов (2004). «Сканирующий термозонд высокого разрешения с сервоуправляемой интерфейсной схемой для микрокалориметрии и других применений» (PDF) . Обзор научных инструментов . 75 (5): 1222–1227. Бибкод : 2004RScI...75.1222L . дои : 10.1063/1.1711153 . hdl : 2027.42/69814 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[12] Хаммиш, А.; и др. (1999). «Фототермическая ИК-Фурье-спектроскопия: шаг к ИК-Фурье-микроскопии с разрешением лучше дифракционного предела». Прикладная спектроскопия . 53 (7): 810–815. Бибкод : 1999ApSpe..53..810H . дои : 10.1366/0003702991947379 . S2CID 93359289 .

[13] Веттигер, П.; и др. (2000). «Многоножка» — более тысячи советов по будущему хранению АСМ». IBM J. Res. Дев . 44 (3): 323–340. дои : 10.1147/rd.443.0323 .

[14] Лерхнер, Дж.; и др. (2000). «Колориметрическое обнаружение летучих органических соединений». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 70 (1–3): 57–66. дои : 10.1016/S0925-4005(00)00554-2 .

[Lee,_J-H_2002_pp._111-116-15] Jump up to: ^а ^б Ли, Дж.Х. и др. Международный семинар по термическим исследованиям микросхем и систем (THERMINIC 2002), Мадрид, Испания, октябрь 2002 г., стр. 111–116.

[16] Хендарто, Э.; и др. (2005). Материалы 43-го ежегодного Международного симпозиума по физике надежности IEEE : 294–299

[17] Дж. Ву, М. Ридинг, DQM Крейг (2008). «Применение калориметрии, атомно-силовой микроскопии при комнатной температуре и динамического механического анализа для исследования замороженных водных растворов трегалозы». Фармацевтические исследования . 25 (6): 1396–1404. дои : 10.1007/s11095-007-9530-y . ПМИД 18256792 . S2CID 9471815 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[18] Р. Меккеншток; И. Барсуков; К. Биркан; А. Ремхофф; Д. Дитцель; Д. Споддиг (2006). «Визуализация ферромагнитных резонансных возбуждений в наноструктурах пермаллоя на Si с помощью сканирующей ближнепольной термической микроскопии». Дж. Прил. Физ . 99 (8): 08С706. Бибкод : 2006JAP....99hC706M . дои : 10.1063/1.2171929 .

[19] Маджумдар А. Сканирующая термическая микроскопия. Анну. Преподобный Матер. наук. (1999). «Сканирующая термическая микроскопия». Ежегодный обзор материаловедения . 29 : 505. Бибкод : 1999AnRMS..29..505M . дои : 10.1146/annurev.matsci.29.1.505 . S2CID 98802503 .

[20] Джанчандани Ю., Наджафи К. (1997). «Кремниевый микромашинный сканирующий термопрофилометр со встроенными элементами для измерения и срабатывания». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 44 (11): 1857–1868. Бибкод : 1997ITED...44.1857G . дои : 10.1109/16.641353 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[21] Наср Исфахани, Эхсан; Ма, Фейюэ; Ван, Шаньюй; Оу, Юн; Ян, Цзихуэй; Ли, Цзянъюй (2017). «Количественное наномасштабное картирование трехфазной теплопроводности в заполненных скуттерудитах с помощью сканирующей термической микроскопии». Национальный научный обзор . 5 : 59–69. arXiv : 1702.01895 . Бибкод : 2017arXiv170201895N . дои : 10.1093/nsr/nwx074 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

v т и Сканирующая зондовая микроскопия
Общий	Атомная сила Проводящий Инфракрасный Бесконтактный Фотопроводящий Сканирующее туннелирование Электрохимический Спиновая поляризация	Typical atomic force microscopy set-up
Другой	Эмиссия баллистических электронов Химическая сила Электростатическая сила Сила зонда Кельвина Магнитная сила Сила магнитного резонанса Оптический сканер ближнего поля Нано-FTIR Фотонное сканирование Фототермическая микроспектроскопия Сила пьезоотклика Сканирующая емкость Сканирование электрохимическое Сканирующие ворота Сканирующий зонд Холла Сканирование ионной проводимости Сканирование джоулевого расширения Сканирующий зонд Кельвина Сканирующая микроскопия квантовых точек Сканирующий СКВИД-микроскоп Сканирующая СКВИД-микроскопия Сканирование тепловое Напряжение сканирования
Приложения	Сканирующая зондовая литография Нанолитография пером Функционально-ориентированное сканирование Память многоножки
См. также	Нанотехнологии Микроскоп микроскопия Вибрационный анализ