Una nuova tecnica di misurazione dimostra l'eccezionale precisione e omogeneità nella temperatura del Nanochip Wildfire

La sensibilità alla temperatura delle nanoparticelle permette la loro applicazione come termometri a distanza. Infatti, la dimensione di questi nano-termometri li rende ideali per mappare le temperature con un'alta risoluzione spaziale. Tuttavia, condurre una tale mappatura, con temperature che superano i 100°C, pone alcune sfide.

In collaborazione con Thomas van Swieten e i suoi colleghi dell'Università di Utrecht, DENSsolutions è riuscita a sviluppare una nuova tecnica per misurare la temperatura su scala nanometrica, infatti hanno testato questa nuova tecnica sul Nanochip  Wildfire e sono stati in grado di confermare ulteriormente la precisione e l'omogeneità della temperatura senza precedenti del Nanochip. Questi esperimenti hanno anche dimostrato la validità dei modelli atti a prevedere la distribuzione della temperatura attraverso il micro-riscaldatore. È importante notare che questa particolare tecnica migliorerà l'accuratezza della nanotermometria nel suo complesso, non solo nella micro e nano-elettronica, ma anche nei campi in cui siano presenti substrati fotonicamente disomogenei. 

La tecnica: Nanotermometria a luminescenza

La termometria su scala microscopica è uno strumento di caratterizzazione essenziale per lo sviluppo di dispositivi nano e microelettronici. Tuttavia, i termometri convenzionali come le termocoppie sono spesso incapaci di misurare in modo affidabile la temperatura su questa scala di lunghezza a causa delle loro dimensioni. È proprio qui che entra in gioco il rilevamento remoto della temperatura tramite tecniche di termometria ottica. La termometria basata sulla luminescenza è particolarmente interessante perché è facilmente implementabile, essa richiede solo la deposizione di un materiale luminescente in, o su un campione di interesse, e la rilevazione della sua luminescenza. Per questo motivo, la nanotermometria a luminescenza si sta attualmente sviluppando come metodo di scelta per le misure di temperatura in microscopia.

Distribuzione omogenea del calore

Il Nanochip  Wildfire di DENSsolutions è stato specificamente progettato per consentire agli utenti una distribuzione omogenea del calore attraverso il micro-riscaldatore sul quale si posiziona il campione. È soprattutto grazie alla geometria unica della spirale metallica, dove le finestre sono posizionate proprio al centro, che gli utenti sono in grado di godere di una così notevole omogeneità di temperatura. Infatti, il Nanochip  Wildfire ha un'uniformità di temperatura del 98% nell'area attorno alle finestre e del 99,5% nelle due finestre centrali. La figura a destra qui sotto è una perfetta illustrazione dell'eccezionale omogeneità della temperatura del chip. Questa mostra il profilo di temperatura lungo la membrana e il microriscaldatore.

L'alta omogeneità di temperatura dei Nanochips Wildfire è dovuta anche al fatto che la spirale di riscaldamento in metallo è incorporata in una membrana di nitruro di silicio. Il nitruro di silicio ha molti vantaggi, tra cui l'essere chimicamente inerte, meccanicamente robusto e in grado di sopportare ambienti chimici e di temperatura difficili.

A sinistra: Il Nanochip Wildfire, dove la spirale di metallo è rappresentata in arancione e la membrana di nitruro di silicio in blu.

A destra: Simulazione del modello a elementi finiti che mostra la notevole omogeneità di temperatura del Wildfire Nanochip

Mappatura affidabile della temperatura

In questo lavoro, le particelle luminescenti utilizzate sono nanoparticelle NaYF₄ drogate con Er³⁺ e Yb³⁺. Queste particelle mostrano una forte upconversion quando vengono eccitate con un laser infrarosso. In altre parole, emettono fotoni con una lunghezza d'onda più corta dei fotoni di eccitazione. Come mostrato nella figura qui sotto, hanno scoperto che lo spettro dei fotoni emessi (verdi) è abbastanza sensibile alla temperatura.

Luminescenza di upconversion verde delle nanoparticelle su eccitazione a varie temperature che vanno da 303 K (rosso scuro) a 573 K (giallo)

Facendo scorrere il laser attraverso uno strato di nanoparticelle depositate nel microscopio confocale, sono stati in grado di catturare una serie di spettri di emissione. Hanno poi convertito questi spettri di emissione in una mappa della temperatura utilizzando il rapporto di intensità della luminescenza dei 2 picchi ad ogni pixel. Dopo una serie di passaggi di correzione, la tecnica ha mostrato una notevole precisione di 1-4 K con una risoluzione spaziale di ∼1 micrometro. È degno di nota menzionare che la maggior parte delle altre tecniche non sono in grado di raggiungere una precisione così elevata.

In a) un laser è stato fatto scorrere attraverso il micro-riscaldatore con le nanoparticelle luminescenti depositate per generare la mappa di  intensità.

b) mostra lo spettro in ogni pixel convertito in una temperatura per fornire una mappa di temperatura del micro-riscaldatore.

Precisione della simulazione e del modello

Utilizzando le mappe di temperatura completamente corrette, sono stati in grado di analizzare in maniera approfondita l'omogeneità della temperatura del micro-riscaldatore. La figura qui sotto mostra i risultati ottenuti. I profili di temperatura simulati (linee) mostrano un'eccellente corrispondenza con le tracce sperimentali (punti), il che conferma sia l'affidabilità del modello come strumento di progettazione sia la forza della nostra tecnica di mappatura della temperatura come strumento di caratterizzazione, ottenendo un'elevata precisione e una risoluzione spaziale di ∼1 μm.

Un grafico che mostra la mappatura delle temperature elevate. Le linee rappresentano i profili di temperatura simulati e le tracce sperimentali rappresentano i punti.

Determinano la deviazione standard della temperatura nel centro per quantificare la precisione di questo metodo di termometria e troviamo valori di 1 K a 323 K che aumentano a soli 4 K a 513 K. In conclusione, questo rende la nanotermometria con la spettroscopia in luminescenza confocale un metodo promettente per mappare i profili di temperatura non solo per i micro riscaldatori ma anche in altri campi come la biologia e la catalisi dove le variazioni di temperatura sono importanti ma difficili da monitorare con metodi tradizionali.

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