可视化温度传输一种意想不到的纳米级表征技术

随着设备不断缩小，其测量和设计面临新的挑战。对于基于分子连接的器件，其中单个分子与金属或半导体结合，我们有多种技术来研究和表征它们的电传输特性。相比之下，在纳米尺度上探测此类结的热传输特性已被证明更具挑战性，并且其中许多与温度相关的量子现象仍然知之甚少。

在一些研究中，科学家们设法使用一种称为扫描热显微镜 (SThM) 的技术，在纳米尺度上测量了分子结中的热传输特性。这种方法包括将一个非常锋利的金属尖端与目标材料接触，并在整个材料表面移动这个尖端。使用激光从后面加热的尖端包含一个热电偶。这种小型设备测量温差，因此通过平衡激光引起的尖端加热与流入目标样品的热量引起的尖端冷却，可以逐点测量材料的热传输特性。

在最近发表在《化学学会杂志》上的一项研究中，东京理工大学的科学家在使用 SThM 时报告了一个偶然但重要的发现。该团队采用 SThM 技术来测量自组装单层 (SAM) 的热传输特性。这些样品包含正十六烷硫醇、正丁烷硫醇和苯硫醇之间三个可能对中每一个的交替条纹。除了采用标准的基于接触的 SThM 方法外，研究人员还尝试使用非接触方式，其中扫描热显微镜的尖端保持在样品上方而不接触样品。出乎意料的是，他们意识到这种非接触式制度具有一定的潜力。

在接触式 SThM 机制中，热量直接从尖端流向样品。相比之下，在非接触式 SThM 方案中，针尖和样品之间的唯一热传递是通过热辐射发生的。正如该团队通过实验了解到的那样，虽然接触方式最适合可视化热传输特性，但非接触方式对从基板“伸出”的分子的实际长度更为敏感。因此，非接触和接触方式的结合提供了一种同时创建样品的地形和热传输图像的全新方式。

此外，与其他成熟的显微镜技术相比，非接触式方法具有优势，如该论文的第一作者 Shintaro Fujii 副教授解释说：“非接触式 SThM 方法是完全非破坏性的，与原子力等其他技术不同显微镜，这确实需要扫描尖端和样品之间的接触，因此具有可能损坏软有机材料的机械冲击。”

总的来说，这项研究提供的见解将为新技术进步和更深入地理解纳米级材料铺平道路。“我们的工作不仅首次提供了有机 SAM 的热图像，而且还提供了一种研究热传输特性的新技术，这对于各种类型纳米器件的热管理至关重要，”Fujii 总结道。

让我们希望这项工作能帮助科学家阐明热现象的许多奥秘。