Thermometer für die Nanowelt

  • quelle: wissenschaft-aktuell.de


    Elektronenschwingungen ermöglichen Temperaturmessung mit extrem hoher Ortsauflösung – Methode soll die Kühlung heißer Computerchips verbessern helfen


    Einige Milliarden winziger Transistoren schalten auf einem einzigen Chip, der daher immer besser gekühlt werden muss. Aber wo genau sich die hoch getakteten Prozessoren erhitzen, konnte bisher nicht gemessen werden. Das soll sich nun mit einem neuen Thermometer, das kalifornische Wissenschaftler entwickelt haben, ändern. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, lässt sich mit ihrer Methode die Temperatur von Nanostrukturen bis auf fünf millionstel Millimeter genau bestimmen. Sie rechnen damit, dass ihr Thermometer für die Nanowelt rasch Anwender findet, die damit das Aufheizen von Prozessoren besser verstehen und ausgeklügelte Kühlstrategien entwickeln könnten.


    „Bisher konnte über die Wärmeleitfähigkeit nur eine Temperatur für einen Nanodraht bestimmt werden“, sagt Brian Chris Regan von der University of California in Los Angeles. Die neue Methode dagegen lieferte bis zu 10.000 Messwerte mit extrem hoher räumlicher Auflösung. Für diese Temperaturmessung kombinierten Regan und seine Kollegen ein Elektronenmikroskop mit einem speziellen Spektrometer. Winzige Bereiche eines Nanodrahts aus Aluminium konnten sie damit abtasten und dabei die Schwingungen von Elektronen untersuchen. Diese Schwingungen, auch Plasmonen genannt, veränderten sich während des Aufheizens des Drahtes. Der physikalische Grund dafür war die Ausdehnung des Aluminiums während des Aufheizens, so dass den Elektronen etwas mehr Platz zur Verfügung stand. Genau diese Veränderungen nutzten die Forscher als verlässlichen Maßstab für die lokale Temperatur.


    In ihren Versuchen heizten Regan und Kollegen nur 80 bis 100 Nanometer dünne und in Schleifen angeordnete Nanodrähte bis auf einige hundert Grad auf. Während des Abtastens mit dem neuen Thermometer – Plasmon Energy Expansion Thermometer (PEET) genannt - ließ sich die Temperatur mit einer Genauigkeit von zehn Prozent bestimmen. Dabei wurde der Nanodraht niemals direkt berührt, da dies die empfindliche Messung gestört hätte.


    Kontaktfreie Temperaturmessungen sind zwar bereits lange mit speziellen Thermometern möglich, die sichtbares Licht oder Infrarotstrahlung detektieren. Doch die räumliche Auflösung ist auf die Wellenlänge von mindestens einigen hundert Nanometern beschränkt. Da das neue Thermometer die lokale Temperatur bis auf fünf Nanometer genau messen kann, könnten nun fundamentale Studien von Quanteneffekten bei der Wärmeleitung folgen, ist der französische Wissenschaftler Christian Colliex von der Université Paris Sud XI überzeugt. Nicht nur die Grundlagenforschung wird davon profitieren, sondern auch Chipentwickler, die das Wärmemanagement nanostrukturierter Computer-Chips weiter verbessern wollen.

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