Kriyojenik sıcaklıklarda malzemelerden geçen ısı akışı ve yüzeylerin mikro ölçekte hassasiyetle termal haritalanması çalışmaları, yeni bir termometrenin geliştirilmesiyle mümkün hale geldi.
Mikroelektronik bileşenler gibi küçük sistemleri araştırmak için bilim insanları nano ölçekli yapıların kriyojenik sıcaklıklarını haritalamayı umuyor. Ancak şu anda kullanılan yöntemler, ölçümleri bozabilecek önemli ölçüde ısıtma gerektiriyor.
Bir araştırma ekibi şimdi, mikro ölçekte çözünürlük sunarken sistemin sıcaklığı üzerinde hiçbir etkisi olmayan kriyojenik bir termometrenin kullanımını gösterdi. Sensörler, milikelvin hassasiyetine sahip nanokristallere gömülü tek moleküllerdir. Bilim insanlarına göre, nano ölçekli özelliklere sahip yüzeylerin termal özelliklerini inceleyen çeşitli kriyojenik araştırmalar bu teknikten faydalanabilir.
Çok çeşitli teknolojiler inşa etmek için malzemelerden geçen ısı akışını anlamak ve düzenlemek gereklidir. Örneğin, mikroelektronik cihazlarda ısıyı sıcak bölgelerden uzaklaştırmak için bilim insanları grafen gibi kriyojenik sıcaklıklara kadar soğutulmuş iki boyutlu malzemeler kullanmaya başlamıştır.
Bu malzemeler çok mükemmel ısı iletkenleridir çünkü ısı, özellikle bu düşük sıcaklıklarda, içlerinde dağılmadan büyük mesafeler boyunca hareket edebilir. Ancak bu ısı iletiminin altında yatan kesin mekanizmalara ilişkin anlayışımız hala eksiktir. Genel olarak bilim insanları, ısının dalgalar halinde hareket ettiği bir rejim gibi, bu sıcaklıklarda var olan malzemelerin diğer olağandışı termal özellikleri hakkında daha fazla bilgi edinmekle de ilgileniyorlar.
Bu özellikleri daha iyi anlamak için İtalyan Ulusal Optik Enstitüsü’nden (INO) Victoria Esteso ve meslektaşları termometri kullanarak yüzeylerin sıcaklığını haritalamak istiyorlar, ancak mevcut tekniklerle ilgili sınırlamalar var. Bu tekniklerin ölçüm yapılan sisteme gönderdiği enerji miktarı, düşük sıcaklıklarda mikrometre ölçeğinde çözünürlük elde edebilenler için bile bu tür çalışmalar için onları uygunsuz kılmaktadır. Belirli ölçüm türleri için bu aktarım uygundur; ancak sıcaklık haritalama bunlardan biri değildir. Bu nedenle Esteso ve arkadaşları yenilikçi bir metodoloji geliştirdiler.
Araştırmacılar tarafından kullanılan termometreler nanokristallerdir ve her birinin içinde antrasen matrisiyle kaplı birkaç dibenzoterrylene (DBT) molekülü bulunmaktadır.
DBT ve antrasen organik madde örnekleridir. DBT molekülleri kırmızı bir lazere maruz bırakıldıklarında floresan yayarlar – belirli bir dalga boyuna odaklanmış ışık yayarlar – ve spektral çizgi genişlikleri artan sıcaklıkla birlikte genişler. Bu genişlik böylece nanokristalin sıcaklığını hesaplamak için kullanılabilir.
Esteso ve arkadaşları, özellikle zor bir sistemin sıcaklığını ölçerek yöntemi test ettiler: 400 nm çapında deliklerden oluşan üçgen bir kafes tarafından işgal edilen %60 alana sahip bir silikon membran. Bu tür bir “nano-yapılı” membranın, belirli mikroelektronik cihazlardaki ısı akışını kontrol etmek için yararlı olabileceğine inanılıyor.
DBT ve antraseni suda birleştirdikten ve karışımdan nanokristaller büyüttükten sonra, araştırmacılar nanokristalleri içeren sıvıdan ince bir kaplamayı membrana uyguladılar ve suyun buharlaşmasına izin verdiler. Bilim insanları daha sonra bir lazer ışını kullanarak bir kristalden farklı mesafelerde art arda membran üzerinde bir dizi alanı ısıttılar ve her durumda kristali aydınlatmak ve sıcaklığını ölçmek için farklı bir lazer kullandılar. Termometri yöntemi, üretilen sıcaklığa karşı mesafe grafiği teorik bir modelle eşleştiğinde doğrulandı.
Farklı bir deneyde, bilim insanları membranın bir bölgesini ısıttı ve yüzeyine dağılmış kristalleri aydınlatarak mikrometre çözünürlükte bir sıcaklık haritası oluşturdu. Bu harita sayesinde membranın ısı iletkenliğini tespit edebildiler.
INO’dan ekip lideri Costanza Toninelli’ye göre, DBT moleküllerinde floresan oluşturmak için kullanılan lazer düşük bir güce (nanowatt aralığı) sahip, dolayısıyla ısıtma etkisi minimum düzeyde. Konuşmacı, “Molekül ile membran arasında önemli bir ısı transferi olmadığında sıcaklığı ölçüyoruz” diyor.
Termometrenin çalışması için ideal sıcaklık aralığı 3 ila 20 K. Nanoyapılı membranlarda ısı taşınımını incelemek tekniğin birincil hedefi olsa da, araştırmacılar yöntemin ekonomik faydası da olabileceğine inanıyor. Toninelli’ye göre, bir Alman nanoteknoloji şirketi, kriyostatları veya sıcaklık düzenleyici cihazları içindeki sıcaklığı haritalamak için bu tekniği uygulamaya ilgi gösterdi bile.
Portekiz’deki Aveiro Üniversitesi’nde fotonik ve nanomalzeme araştırmacısı olan Carlos Brites, “Bu sıcaklık aralığı tek moleküllü spektroskopi kullanımı için çok benzersiz” diyor. Nispeten genç bir disiplin olan nanotermometride, yeni uygulamalara yönelik yeni metodolojilere sahip olmanın faydalı olduğunu savunuyor.
Kaynak: physics aps org/articles
