Development of highly sensitive SThM probes for nanoscale thermal measurments - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Development of highly sensitive SThM probes for nanoscale thermal measurments

Développement de sondes SThM hautement sensibles pour les mesures thermiques à l'échelle nanométrique

Rahul Swami
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1196767
  • IdRef : 261534777

Résumé

This thesis reports the development of novel scanning thermal microscopy (SThM) probes based on a resistive niobium nitride (NbN) thermal sensor. Electron beam lithography and etching processes have been carried out to integrate the NbN thermal sensor on a non-planar 3D AFM tip. In order to test the novel SThM probe, a commercial AFM system has been modified into a vacuum based SThM setup. The temperature-dependent electrical response demonstrated a very high temperature sensitivity making these probes commercially interesting. Frequency-dependent measurements allowed us to estimate the thermal time constant and thermal properties of the probes.We also investigated the impact of laser illumination on the NbN-SThM probe's temperature response and found significant heating. This heating is attributed to laser beam absorption via the SThM probe's cantilever. Specifically, we exploited the laser heated SThM probe for thermal measurement in air as well as vacuum conditions. We studied the heat dissipation into three bulk reference samples with dissimilar thermal conductivity under air conditions. These measurements allowed us to achieve the thermal conductivity calibration curve. Furthermore, laser heated SThM probe was utilized to obtain a thermal image of Si-nanowires embedded in the alumina matrix.A part of the thesis focuses on the active 3ω-SThM method. The point 3ω-SThM experiments have been carried out on bulk samples along a model based upon a thermal-electrical analogy to study heat transport in vacuum conditions. The obtained experimental results enabled us to extract the thermal contact resistance between the tip-sample system. Finally, we presented the application of these new SThM probes for thermal measurements on the DNA nanostructures.
Cette thèse rapporte le développement de nouvelles sondes de microscopie thermique à balayage (SThM) basées sur un capteur thermique résistif en nitrure de niobium (NbN). Des processus de lithographie par faisceau d'électrons et de gravure ont été réalisés pour intégrer le capteur thermique en NbN sur une pointe AFM 3D non plane. Afin de tester la nouvelle sonde SThM, un système AFM commercial a été modifié en une configuration SThM sous vide. La réponse électrique en fonction de la température a démontré une très haute sensibilité à la température rendant ces sondes commercialement intéressantes. Les mesures en fonction de la fréquence nous ont permis d'estimer la constante de temps thermique et les propriétés thermiques des sondes.Nous avons également étudié l'impact de l'illumination laser sur la réponse en température de la sonde NbN-SThM et avons constaté un échauffement significatif. Ce chauffage est attribué à l'absorption du faisceau laser par le cantilever de la sonde SThM. Plus précisément, nous avons exploité la sonde SThM chauffée par laser pour effectuer des mesures thermiques dans l'air ainsi que sous vide. Nous avons étudié la dissipation de chaleur dans trois échantillons de référence avec des conductivités thermiques différentes sous air. Ces mesures nous ont permis de réaliser la courbe d'étalonnage de la conductivité thermique. De plus, une sonde SThM chauffée par laser a été utilisée pour obtenir une image thermique des nanofils de Si incorporés dans la matrice d'alumine.Une partie de la thèse se concentre sur la méthode active 3ω-SThM. Les expériences 3ω-SThM ont été réalisées sur des échantillons bulk selon un modèle basé sur une analogie thermo-électrique pour étudier le transport de chaleur sous vide. Les résultats expérimentaux obtenus nous ont permis d'extraire la résistance de contact thermique entre le système pointe-échantillon. Enfin, nous avons présenté l'application de ces nouvelles sondes SThM pour des mesures thermiques sur les nanostructures d'ADN.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03879142 , version 1 (30-11-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03879142 , version 1

Citer

Rahul Swami. Development of highly sensitive SThM probes for nanoscale thermal measurments. Atomic Physics [physics.atom-ph]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2021. English. ⟨NNT : 2021GRALY079⟩. ⟨tel-03879142⟩

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