Термометрия на основе наноматериалов

Нанолитографическая термометрия

Одним из распространенных способов для ведения наблюдений за локальной температурой является использование термоэлектрического детектора, созданного литографически или методом последовательного осаждения. Такие методы изготовления применимы для наноразмерных датчиков температуры и термопар на основе полупроводниковых или металлических материалов. Для того чтобы нанести один металл на нанополоски, сделанные из другого металла, для создания наноразмерного биметаллического датчика, используется технология вакуумного напыления. Параметрический отклик, например, наноразмерного соединения платины и вальфрама Pt/W (с примесями галия Ga в обоих металлах) дает температурный коэффициент 5,4 мВ/°C, что в 130 раз больше, чем в обычных термопарах. Литография делает возможным соединение двух нанопроволочных электродов типов p- и n- на подожке для того, чтобы создавать наноразмерные термопары, соединенные параллельно. Атомно-силовая микроскопия может создавать отображения термического реагирования подложек с помощью проводящего полимера или сканирующей головки с углеродной нанотрубкой (CNT). Для повышения пространственного разрешения температурных измерений также используется наноразмерный капиллярный эффект.

Во всех перечисленных термометрах, пространственная разрешающая способность, как правило, определяется геометрическим размером термопары. Кроме того, в наноразмерном капилляре, например, прибор измеряет температуру скорее в месте связи между модулем датчика капилляра и областью обнаружения, нежели в самой жидкости, Это может быть потенциальным недостатком из-за сложности механизма передачи тепла внутри капилляра, помех со стороны применяемых электрического или электромагнитного полей и нарушения параметров потока динамической системы.

Термометрия на основе наноматериалов

Потребность в термометрической технологии достигла той точки, когда применения традиционных микроразмерных материалов уже недостаточно. Недостатки традиционных технологий являются, по большей части, следствием внутренних свойств материалов, из которых изготовлен термометр, таких как, неправильная форма, распределение по размерам и шероховатость поверхности, которые могут привести к низкому разрешению и соотношению сигнал/шум (S/N). За последнее десятилетие достижения синтеза наноматериалов повлекли за собой создание новых разработок в области наноразмерной термометрии. Типичным примером является использование углеродных нанотрубок (CNT). Тонкая пленка (7 нм) CNT образует относительно простой термометр с диапазоном измерения 100-327°С в вакууме. Температура окружающей среды нанотрубки точно соответствует возбуждению поля и току эмиссии данного приложенного электронного поля. Наноструктурные пленки из сульфида свинца PbS также представляют собой средство создания бесконтактных термометров благодаря широкому диапазону поддающемуся измерению 200–1200°C. Гао и др. сообщают о наноразмерном термометре, который аналогичен по форме традиционному ртутному термометру, но в миллиард раз меньше него. Он состоит из наполненных галлием Ga нанотрубок из углерода/оксида марганца, в которых Ga служит индикатором температуры за счет расширения и сокращения внутри нанотрубки в диапазоне 30-2205С° (Рис. 1). Такие термометры с углеродными нанотрубками или нанотрубками из окиси марганца обладают большим потенциалом для использования в средах со сверхвысокими температурами благодаря своим превосходным тепловым качествам. Тем не менее, одним из существенных недостатков здесь является тот факт, что для такого нанотермометра нужна камера высокого вакуума, например, трансмиссионный электронный микроскоп (TEM), для считывания и предварительной идентификации и калибровки, несмотря даже на то, что измерение температуры можно производить в воздухе. Только разработка другого метода преобразования сигнала может дать возможность преодолеть данную проблему.

Рисунок 3. Углеродный нанотермометр, наполненный Ga, показывающий расширение Ga внутри CNT при температурах (a) 58°C, (b) 490°C, и (c) 45°C.