Optische Detektion und Kontrolle von Wärmetransport auf der Nanometerskala
Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Wärmetransport im Nanometerbereich ist für die weitere Miniaturisierung elektronischer und optoelektronischer Komponenten von zentraler Bedeutung. Die physikalische Beschreibung der verschiedenen Transportmechanismen und ihres komplexen Zusammenspiels stellt dabei eine große Herausforderung dar. Insbesondere die Effizienz des Strahlungswärmetransports und seine Reichweite sind aufgrund der Breitbandigkeit der Wärmestrahlung schwer zu erfassen. Bei Raumtemperatur beträgt die Wellenlänge der maximalen spektralen Strahlungsdichte nach dem Wien’schen Gesetz etwa 10 µm. Auf kürzeren Längenskalen erfolgt der Strahlungswärmetransport daher nur über evaneszente Felder im Nahfeld der beteiligten Körper, deren Zerfallslänge wiederum stark wellenlängenabhängig ist. Das Ziel dieses Projekts, das wir in Zusammenarbeit mit unseren Partnern an der Universität Torun, Polen, durchführten, bestand darin, die optische Untersuchung der Wärmeausbreitung und -verteilung mit einer räumlichen Auflösung im Nanometerbereich zu demonstrieren, die deutlich kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist. Unser Ansatz basierte auf der Photolumineszenz (PL)-Nanothermometrie unter Verwendung von NaYF4:Er3+/Yb3+ Nanokristallen (Seltenerdionen-Nanokristalle, REINCs) als lokale Temperatursonden, die entweder auf dem Probensubstrat abgeschieden oder an einer Rastersonde angebracht wurden. Das Messprinzip verwendet dabei die Temperaturabhängigkeit der PL-Spektren dieser REINCs. In unserem Projekt haben wir REINCs nach sorgfältiger Kalibrierung mit einem elektrisch beheizten Deckglas erfolgreich für nanoskalige Temperaturmessungen eingesetzt. Anschließend haben wir die Temperatur in verschiedenen Abständen zu einem elektrisch beheizten Silber-Nanodraht gemessen und dabei einen weitreichenden Wärmetransport festgestellt, der vermutlich durch das Glassubstrat vermittelt wird. Durch die Positionierung einer scharfen Goldspitze auf einem REINC in verschiedenen Abständen beobachteten wir eine überraschend effiziente Strahlungskühlung durch die Spitze mit kurz- (< 50 nm) und weitreichenden Beiträgen. Wir fanden auch heraus, dass die Temperatur eines REINIC, der direkt an einer Goldspitze befestigt ist, stark durch diese beeinflusst wird, was auf die hohe Wärmeleitfähigkeit von Gold zurückzuführen ist. Für die lokale Temperaturkartierung verwendeten wir daher Glasspitzen, deren wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit eine spitzeninduzierte Abkühlung und damit die Bestimmung falscher Temperaturwerte verhindert. Mit einem einzelnen REINC, der an einer Glasspitze befestigt war, erreichten wir thermische Mikroskopie auf einer optisch beheizten 2D-halbleitenden WSe₂-Monolage mit einer räumlichen Auflösung von besser als 150 nm und einer Temperaturauflösung von etwa 1 K. Die in unseren Studien beobachteten Beiträge zur Wärmeübertragung im Nahbereich unterstreichen das Potenzial dieses Ansatzes für die Temperaturkartierung mit räumlichen Auflösungen unter 50 nm.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Single up-conversion nanocrystal as a local temperature probe of electrically heated silver nanowire. Nanoscale, 15(25), 10614-10622.
Wiwatowski, K.; Sulowska, K.; Houssaini, R.; Pilch-Wróbel, A.; Bednarkiewicz, A.; Hartschuh, A.; Maćkowski, S. & Piątkowski, D.
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„Near-Field Cooling and Local Temperature Sensing”, Invited presentation at conference TERS9, Belo Horizonte, Brazil, 06.11.2024
Achim Hartschuh
