可視化溫度傳輸一種意想不到的納米級表征技術

隨著設備不斷縮小，其測量和設計面臨新的挑戰。對于基于分子連接的器件，其中單個分子與金屬或半導體結合，我們有多種技術來研究和表征它們的電傳輸特性。相比之下，在納米尺度上探測此類結的熱傳輸特性已被證明更具挑戰性，并且其中許多與溫度相關的量子現象仍然知之甚少。

在一些研究中，科學家們設法使用一種稱為掃描熱顯微鏡 (SThM) 的技術，在納米尺度上測量了分子結中的熱傳輸特性。這種方法包括將一個非常鋒利的金屬尖端與目標材料接觸，并在整個材料表面移動這個尖端。使用激光從后面加熱的尖端包含一個熱電偶。這種小型設備測量溫差，因此通過平衡激光引起的尖端加熱與流入目標樣品的熱量引起的尖端冷卻，可以逐點測量材料的熱傳輸特性。

在最近發表在《化學學會雜志》上的一項研究中，東京理工大學的科學家在使用 SThM 時報告了一個偶然但重要的發現。該團隊采用 SThM 技術來測量自組裝單層 (SAM) 的熱傳輸特性。這些樣品包含正十六烷硫醇、正丁烷硫醇和苯硫醇之間三個可能對中每一個的交替條紋。除了采用標準的基于接觸的 SThM 方法外，研究人員還嘗試使用非接觸方式，其中掃描熱顯微鏡的尖端保持在樣品上方而不接觸樣品。出乎意料的是，他們意識到這種非接觸式制度具有一定的潛力。

在接觸式 SThM 機制中，熱量直接從尖端流向樣品。相比之下，在非接觸式 SThM 方案中，針尖和樣品之間的唯一熱傳遞是通過熱輻射發生的。正如該團隊通過實驗了解到的那樣，雖然接觸方式最適合可視化熱傳輸特性，但非接觸方式對從基板“伸出”的分子的實際長度更為敏感。因此，非接觸和接觸方式的結合提供了一種同時創建樣品的地形和熱傳輸圖像的全新方式。

此外，與其他成熟的顯微鏡技術相比，非接觸式方法具有優勢，如該論文的第一作者 Shintaro Fujii 副教授解釋說：“非接觸式 SThM 方法是完全非破壞性的，與原子力等其他技術不同顯微鏡，這確實需要掃描尖端和樣品之間的接觸，因此具有可能損壞軟有機材料的機械沖擊。”

總的來說，這項研究提供的見解將為新技術進步和更深入地理解納米級材料鋪平道路。“我們的工作不僅首次提供了有機 SAM 的熱圖像，而且還提供了一種研究熱傳輸特性的新技術，這對于各種類型納米器件的熱管理至關重要，”Fujii 總結道。

讓我們希望這項工作能幫助科學家闡明熱現象的許多奧秘。