[論文レビュー] Micro-thermocouple on nano-membrane: thermometer for nanoscale measurements

Armandas Balčytis, Meguya Ryu+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2018

Thermal properties of materials参考文献 11被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、低分解能電子ビームリソグラフィーとリフトオフを用いて30-nm厚のSi₃N₄ナノ膜上に作製されたマイクロ熱電対を提示する。このデバイスは、ナノスケールの熱的センシングを実現し、高い空間分解能と時間分解能を達成する。10 kHzの測定周波数において、最大で約2×10⁵ K/sの温度応答速度を達成しており、レーザーおよび電子ビーム励起による急速な熱的変化のサブミクロン空間分解能とリアルタイム検出を実証している。

ABSTRACT

A thermocouple of Au-Ni with only 2.5-micrometers-wide electrodes on a 30-nm-thick Si3N4 membrane was fabricated by a simple low-resolution electron beam lithography and lift off procedure. The thermocouple is shown to be sensitive to heat generated by laser as well as an electron beam. Nano-thin membrane was used to reach a high spatial resolution of energy deposition and to realise a heat source of sub-1 micrometer diameter. This was achieved due to a limited generation of secondary electrons, which increase a lateral energy deposition. A low thermal capacitance of the fabricated devices is useful for the real time monitoring of small and fast temperature changes, e.g., due to convection, and can be detected through an optical and mechanical barrier of the nano-thin membrane. Temperature changes up to ~2x10^5 K/s can be measured at 10 kHz rate. A simultaneous down-sizing of both, the heat detector and heat source strongly required for creation of thermal microscopy is demonstrated. Peculiarities of Seebeck constant (thermopower) dependence on electron injection into thermocouple are discussed. Modeling of thermal flows on a nano-membrane with presence of a micro-thermocouple was carried out to compare with experimentally measured temporal response.

研究の動機と目的

• ナノスケールの熱的現象を高空間分解能および高時間分解能で直接的・リアルタイムに測定可能なミニチュア化熱電対の開発を目的とする。
• 従来のマイクロ熱電対が、大きな熱容量と二次効果による影響により、高熱容量および空間分解能の低下を受けるという限界を克服することを目的とする。
• 熱的マイクロスコピー用途において、熱源と検出器の両方を同時にミニチュア化することを目的とする。
• 電子ビーム照射下における超小型接合部における熱電力（ゼーベック係数）に及ぼす電子注入の影響を調査することを目的とする。
• 同じ基板上に参照接合を設けることで、ナノスケールデバイスにおける絶対温度測定のためのキャリブレーション手法を提供することを目的とする。

提案手法

• 低分解能電子ビームリソグラフィーとリフトオフプロセスを用いて、30-nm厚のSi₃N₄膜上に2.5-µm幅の電極を有するAu-Niマイクロ熱電対を形成する。
• レーザー加工による光学マスクを用いて二次的接触パッドを定義し、最小限の温度勾配で電気的インターフェースを実現する。
• 5 nmのCr接着層を形成した後、熱蒸着により50 nmのAuおよび50 nmのNiを堆積させ、リフトオフにより熱電対構造を定義する。
• 同じ基板上にAu-Au接合を参照熱電対として用いることで、光変調およびロックイン検出を用いた相対温度測定を可能にする。
• レーザーおよび電子ビーム励起下での温度推定に、類似したAu-Ni熱電対から得られた10.1 µV/Kの感度キャリブレーション定数を適用する。
• 実験的時間応答と比較可能なナノ膜系における熱拡散のモデリングを行い、主な熱伝達経路を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 30-nmのSi₃N₄膜上に形成されたマイクロ熱電対は、高時間応答を維持しつつ、サブミクロン空間分解能での熱的センシングを達成できるか？
• RQ2 ナノ膜デバイスの熱的応答は、バルク基板と比較して、熱拡散および二次電子生成の観点でどのように異なるか？
• RQ3 電子ビームによる電子注入が、超小型のAu-Ni接合部におけるゼーベック係数および熱電力に及ぼす影響は何か？
• RQ4 ナノ膜の低熱容量特性が、急速な温度変化（例：10⁵ K/s以上）のリアルタイムモニタリングをどの程度可能にするか？
• RQ5 異なる膜厚を有するナノスケールデバイスにおいて、絶対温度測定のためのキャリブレーションが有効に適用可能か？

主な発見

• 30-nmのSi₃N₄膜上に形成されたマイクロ熱電対は、10 kHzの測定周波数において最大で約2×10⁵ K/sの時間的応答速度を示し、急速な熱的遷移のリアルタイムモニタリングを可能にした。
• 1 mWのレーザー加熱により、約0.1 Kの測定可能な温度上昇が観察され、低エネルギー入力への感受性を確認した。
• ナノ膜は二次電子生成を低減し、横方向へのエネルギー付与を約1–2 µmの断面に制限した。これはバルク基板と比較して空間分解能が向上していることを示している。
• 熱的モデリングでは、熱拡散はSi₃N₄膜に支配的であると示されたが、実験データは予測を上回る迅速な拡散を示し、電子注入および金属リードからの寄与が顕著であることを示唆している。
• Au-Ni接合部のゼーベック係数は電子注入に敏感であり、電子ビーム照射下で熱電力に動的な変化が観察された。これは、純粋な熱的効果とは分離する必要があることを示している。
• このデバイスは、膜の反対側に配置された試料（例：バッファー溶液中の生物細胞）に対して、直接的かつ非接触で熱的モニタリングを可能にした。これは、放射線施設や光学マイクロスコピーにおけるイン・サイト応用の可能性を示している。