DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-026-01426-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42764296
تاريخ النشر: 2026-09-20
المؤلف: Hugo Gómez-Torres وآخرون
الموضوع الرئيسي: الديناميكا الحرارية والتحليلات الحرارية
نظرة عامة
تقدم البحث تقنية جديدة لقياس الحرارة النانوية، وهي قياس الحرارة النانوية بالنبضات الدقيقة (μs-PHnC)، التي تسهل قياسات سعة الحرارة عالية الحساسية، شبه الأيزوثرمية، على عينات نانوية. هذه الطريقة مفيدة بشكل خاص للتحقيق في الخصائص الديناميكية الحرارية في المواد ذات الأبعاد المنخفضة، حيث تكون تقنيات قياس الحرارة التقليدية غالبًا غير كافية. من خلال حصر الإثارة الحرارية في نطاقات زمنية دقيقة، تقلل μs-PHnC من انتشار الحرارة الجانبي وتحقق كثافة ضوضاء ملحوظة تبلغ 75 pJ K⁻¹ √Hz mm⁻²، مما يمكّن من توصيف دقيق لعينات تحت النانوجرام ضمن مناطق صغيرة تصل إلى 30 × 30 μm². تُظهر التقنية تجانسًا استثنائيًا في درجة الحرارة، مما يحل بفعالية الانتقالات الطورية الحادة، مثل الانتقال المضاد للمغناطيسية في أفلام CoO الرقيقة جدًا.
تستند طريقة μs-PHnC إلى قياس الحرارة النانوية شبه الأديباتي (QAnC) مع معالجة قيودها في الدقة المكانية وقابلية التوسع. من خلال تقليل مدة النبض إلى حوالي 50 μs، تعزز دقة القياس والحساسية، محققة تقليصًا كبيرًا في عرض الانتقال من حوالي 20 K إلى 5 K لظاهرة الشذوذ من نوع لامدا في أفلام CoO. يسمح تصميم التقنية بالدمج مع المحفزات الخارجية، مما يحافظ على التوازن الحراري بين النبضات، وهو أمر حاسم لدراسة الاستجابات الديناميكية الحرارية المعتمدة على المجال. بشكل عام، تمثل μs-PHnC تقدمًا كبيرًا في قياس الحرارة النانوية، موسعة القدرة على تحليل الخصائص الديناميكية الحرارية للمواد النانوية والمواد ثنائية الأبعاد، وبالتالي توسيع تطبيقات قياس الحرارة في علوم المواد.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية التغيرات الديناميكية الحرارية الكبيرة التي لوحظت في المواد على النطاق النانوي، وخاصة في الأفلام الرقيقة جدًا والأنظمة ذات الأبعاد المنخفضة، حيث تكافح تقنيات قياس الحرارة التقليدية بسبب اعتمادها على أحجام العينات الكبيرة والقصور الحراري. قياس الحرارة التقليدي غير كافٍ لقياس الإشارات الحرارية الدقيقة للمواد النانوية، التي غالبًا ما توجد بكميات نانوية وتظهر انتقالات منخفضة الطاقة. لمواجهة هذه التحديات، ظهرت قياسات الحرارة على الرقاقة كنهج واعد، باستخدام خلايا قياس حرارة مصغرة تقلل من إضافات سعة الحرارة وتعزز من الاقتران الحراري، مما يحسن من نسب الإشارة إلى الضوضاء ويمكّن من أوقات استجابة حرارية أسرع.
تسلط الورقة الضوء على ثلاث طرق رئيسية لقياس الحرارة النانوية: قياس الحرارة بتردد متناوب، قياس الحرارة بالاسترخاء، وقياس الحرارة النانوية شبه الأديباتي (QAnC). بينما يسمح قياس الحرارة بتردد متناوب بإجراء قياسات عالية الحساسية تحت ظروف الحالة الثابتة، إلا أنه محدود بقيود انتشار الحرارة. قياس الحرارة بالاسترخاء، على الرغم من أنه قابل للتوسع وفعال عند درجات حرارة منخفضة، يواجه تحديات في تحقيق قياسات سريعة. تقدم QAnC حساسية متفوقة لكل وحدة مساحة ويمكنها اكتشاف الأحداث الحرارية الدقيقة في الأفلام الرقيقة جدًا، لكن دقتها المكانية مقيدة بطول انتشار الحرارة. للتغلب على هذه القيود، يقترح المؤلفون تقنية جديدة، وهي قياس الحرارة النانوية بالنبضات الدقيقة (μs-PHnC)، التي تتكيف مع مبادئ QAnC على نطاق الزمن الدقيق، مما يسمح بتحليل حراري دقيق مع الحفاظ على حساسية عالية والقدرة على العمل تحت ظروف شبه أيزوثرمية.
الطرق
تستخدم المنهجية المعتمدة في هذه الدراسة تقنية قياس الحرارة النانوية بالنبضات الدقيقة (μs-pulsed)، وهي طريقة متقدمة للتحليل الحراري مشتقة من قياس الحرارة النانوية شبه الأديباتي. تتضمن هذه التقنية تطبيق نبضات تسخين قصيرة (حوالي 50 μs ON و100 ms OFF) على خلية قياس الحرارة، مما يؤدي إلى زيادات موضعية في درجة الحرارة بضع كلفن فوق درجة الحرارة الأساسية المحددة بواسطة الإطار السيليكوني. يضمن التصميم أن تصل خلية قياس الحرارة إلى توازن حراري بين النبضات، مما يسمح بإجراء قياسات دقيقة للمتغيرات الحرارية خلال مرحلة الاستجابة الخطية لكل نبضة. تعزز هذه الطريقة الحساسية من خلال تمكين متوسط الإشارة عبر الإثارات المتكررة عند درجة حرارة ركيزة ثابتة.
تتكون أجهزة قياس الحرارة النانوية المستخدمة في هذا البحث من غشاء نيتريد السيليكون (Si₃N₄) قائم بذاته، بسمك 180 نانومتر، معلق فوق إطار سيليكون، مع طبقة عزل SiO₂ بسمك 50 نانومتر لمنع تيارات التسرب. تعمل طبقة ثنائية من Ti/Pt كمسخن مقاوم وثرمومتر في مركز الغشاء. تم تصنيع ثلاثة أشكال هندسية مختلفة للمسخن: تصميم من نوع الملتوي مع منطقة استشعار تبلغ 1 mm²، وتصميمين من نوع الشريط مع مناطق استشعار مربعة تبلغ 50 × 50 μm² و30 × 30 μm². يتم تفصيل التخطيط الهندسي الكامل وأبعاد هذه الأجهزة في المعلومات التكميلية، مما يبرز قدرتها على تقييم سعة الحرارة تحت ظروف شبه ثابتة مع الحفاظ على حساسية عالية ومعدلات تسخين سريعة تميز طريقة QAnC.
النتائج
تظهر النتائج المقدمة في هذا القسم فعالية تقنية قياس الحرارة النانوية بالنبضات الدقيقة (μs-PHnC) في قياس سعة الحرارة لأفلام أكسيد الكوبالت (CoO) الرقيقة عبر أشكال هندسية مختلفة للأجهزة. تم تصنيع ثلاثة أجهزة قياس حرارة نانوية متميزة، بما في ذلك هندسة من نوع الملتوي واثنين من هندسات الشريط، مع أحجام خلايا قياس حرارة تبلغ 30 × 30 μm² و50 × 50 μm². استخدمت الدراسة الانتقال المضاد للمغناطيسية في CoO كمعيار بسبب طبيعته المستمرة وغياب الحرارة الكامنة، مما يسمح بتقييم دقيق لدقة التقنية. تم إجراء القياسات من خلال مسح درجة حرارة الحامل من 100 K إلى 350 K بمعدل مسيطر، مع تطبيق نبضات تسخين دقيقة، ومتوسط نقاط البيانات المتعددة لتعزيز نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
تشير النتائج إلى أن μs-PHnC توفر تحسينًا كبيرًا في تجانس درجة الحرارة والدقة مقارنةً بقياس الحرارة النانوية شبه الأديباتي (QAnC). من الجدير بالذكر أن التقنية حققت عرض انتقال أضيق (حوالي 5 K) لانتقال نيل في أفلام CoO الرقيقة، مما يدل على قدرتها على حل التوقيعات الحرارية الدقيقة في المواد النانوية البلورية. كما تسلط النتائج الضوء على قدرة التقنية على قياس عينات تحت النانوجرام، مما يمهد الطريق لدراسات مستقبلية حول المواد ثنائية الأبعاد ذات طبقة واحدة. تكشف التحليلات المقارنة مع طرق قياس الحرارة النانوية الأخرى المعتمدة على الرقاقة أن μs-PHnC تجمع بشكل فريد بين معدلات تسخين عالية مع تشغيل شبه أيزوثرمي، مما يوسع من قابلية تطبيق قياس الحرارة على عينات بحجم ميكرومتر مع الحفاظ على دقة ممتازة وقابلية للتكرار.
المناقشة
تناقش هذه القسم تطوير والتحقق من صحة تقنية قياس الحرارة النانوية بالنبضات الدقيقة (μs-PHnC) الجديدة، التي تعزز قياس سعة الحرارة في الأفلام الرقيقة جدًا والمواد ذات الأبعاد المنخفضة. تعمل هذه الطريقة عن طريق حقن تيار مسيطر من خلال عنصر معدني، مما يؤدي إلى تسخين جول سريع ويسمح بظروف شبه أديباتية تقلل من فقدان الحرارة. تعتمد قياسات الحرارة على التحديد المتزامن لدرجة الحرارة، ومدخلات الطاقة الكهربائية، وفقدان الحرارة، مع تحقيق التقنية لمعدلات تسخين على نطاق $10^5 \, \text{K/s}$. تُظهر طريقة μs-PHnC تحسينًا في الدقة المكانية والحساسية، حيث تلتقط الانتقالات الحرارية بعرضات مخفضة بشكل كبير مقارنةً بقياس الحرارة النانوية شبه الأديباتي (QAnC).
تشير النتائج إلى أن μs-PHnC تحصر المنطقة المستشعرة في بصمة المسخن، مما يحافظ على تجانس درجة الحرارة أثناء القياسات. تدعم نمذجة العناصر المحدودة هذا من خلال إظهار أن التغيرات في درجة الحرارة تبقى ضئيلة خلال النبضات القصيرة، وهو أمر حاسم للتحليل الحراري الدقيق. تم التحقق من أداء التقنية من خلال تجارب على أفلام CoO الرقيقة، مما يكشف عن شذوذ حاد من نوع لامدا مع عرض انتقال تم تقليصه من حوالي 20 K إلى 5 K. علاوة على ذلك، يسمح تصميم الطريقة بالدمج مع المحفزات الخارجية، مما يسهل دراسة الاستجابات الديناميكية الحرارية تحت ظروف متغيرة، وبالتالي توسيع قابلية تطبيق قياس الحرارة في علوم المواد، وخاصة للمواد النانوية والمواد ثنائية الأبعاد.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-026-01426-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42764296
Publication Date: 2026-09-20
Author(s): Hugo Gómez-Torres et al.
Primary Topic: thermodynamics and calorimetric analyses
Overview
The research presents a novel nanocalorimetric technique, microsecond-pulsed heating nanocalorimetry (μs-PHnC), which facilitates high-sensitivity, quasi-isothermal heat capacity measurements on nanoscale samples. This method is particularly advantageous for investigating thermodynamic properties in low-dimensional materials, where traditional calorimetric techniques are often inadequate. By confining thermal excitation to microsecond timescales, μs-PHnC minimizes lateral heat diffusion and achieves a remarkable noise density of 75 pJ K⁻¹ √Hz mm⁻², enabling precise characterization of subnanogram samples within areas as small as 30 × 30 μm². The technique demonstrates exceptional temperature homogeneity, effectively resolving sharp phase transitions, such as the antiferromagnetic transition in ultrathin CoO films.
The μs-PHnC method builds upon quasi-adiabatic nanocalorimetry (QAnC) while addressing its limitations in spatial resolution and scalability. By reducing pulse duration to approximately 50 μs, it enhances measurement accuracy and sensitivity, achieving a significant reduction in transition width from around 20 K to 5 K for the lambda-type anomaly in CoO films. The technique’s design allows for integration with external stimuli, maintaining thermal equilibrium between pulses, which is crucial for studying field-dependent thermodynamic responses. Overall, μs-PHnC represents a significant advancement in nanocalorimetry, extending the capability to analyze thermodynamic properties of nanostructured and two-dimensional materials, thereby broadening the applications of calorimetry in material science.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the significant thermodynamic changes observed in materials at the nanoscale, particularly in ultrathin films and low-dimensional systems, where conventional calorimetric techniques struggle due to their reliance on bulk sample sizes and thermal inertia. Traditional calorimetry is inadequate for measuring the minute thermal signals of nanomaterials, which often exist in nanogram quantities and exhibit low-energy transitions. To address these challenges, chip calorimetry has emerged as a promising approach, utilizing microfabricated calorimetric cells that minimize heat capacity addenda and enhance thermal coupling, thereby improving signal-to-noise ratios and enabling faster thermal response times.
The paper highlights three primary nanocalorimetric methods: AC calorimetry, relaxation calorimetry, and quasi-adiabatic nanocalorimetry (QAnC). While AC calorimetry allows for high-sensitivity measurements under steady-state conditions, it is limited by thermal diffusion constraints. Relaxation calorimetry, though scalable and effective at low temperatures, faces challenges in achieving rapid measurements. QAnC offers superior sensitivity per unit area and can detect subtle thermal events in ultrathin films, but its spatial resolution is constrained by thermal diffusion lengths. To overcome these limitations, the authors propose a novel technique, microsecond-pulse heating nanocalorimetry (μs-PHnC), which adapts QAnC principles to the microsecond timescale, allowing for precise thermal analysis while maintaining high sensitivity and the ability to operate under quasi-isothermal conditions.
Methods
The methodology employed in this study utilizes a microsecond-pulsed (μs-pulsed) nanocalorimetric technique, which is an advanced thermal analysis method derived from quasi-adiabatic scanning calorimetry. This technique involves applying short heating pulses (approximately 50 μs ON and 100 ms OFF) to the calorimetric cell, resulting in localized temperature increases of a few Kelvin above the base temperature set by the silicon frame. The design ensures that the calorimetric cell reaches thermal equilibrium between pulses, allowing for accurate measurements of calorimetric variables during the linear response phase of each pulse. This approach enhances sensitivity by enabling signal averaging over repeated excitations at a constant substrate temperature.
The nanocalorimeters used in this research consist of a freestanding silicon nitride (Si₃N₄) membrane, 180 nm thick, suspended over a silicon frame, with a 50 nm SiO₂ insulation layer to prevent leakage currents. A Ti/Pt bilayer serves as both a resistive heater and thermometer at the center of the membrane. Three distinct heater geometries were fabricated: a meander-type design with a sensing area of 1 mm², and two strip-type designs with square sensing areas of 50 × 50 μm² and 30 × 30 μm². The complete geometrical layout and dimensions of these nanocalorimeters are detailed in the Supplementary Information, highlighting their capability to evaluate heat capacity under quasistatic conditions while maintaining high sensitivity and rapid heating rates characteristic of the QAnC method.
Results
The results presented in this section demonstrate the efficacy of the microsecond-pulsed heating nanocalorimetry (μs-PHnC) technique in measuring the heat capacity of cobalt monoxide (CoO) thin films across various device geometries. Three distinct nanocalorimetric devices were fabricated, including a meander-type geometry and two strip-type geometries, with calorimetric cell sizes of 30 × 30 μm² and 50 × 50 μm². The study utilized the antiferromagnetic transition of CoO as a benchmark due to its continuous nature and lack of latent heat, allowing for precise evaluation of the technique’s resolution. Measurements were conducted by scanning the holder temperature from 100 K to 350 K at a controlled rate, applying microsecond heating pulses, and averaging multiple data points to enhance the signal-to-noise ratio.
The findings indicate that μs-PHnC provides a significant improvement in temperature uniformity and resolution compared to quasi-adiabatic nanocalorimetry (QAnC). Notably, the technique achieved a narrower transition width (approximately 5 K) for the Néel transition in CoO thin films, which is indicative of its capability to resolve fine thermal signatures in nanocrystalline materials. The results also highlight the technique’s ability to measure sub-nanogram specimens, thus paving the way for future studies on single-monolayer two-dimensional materials. A comparative analysis with other chip-based nanocalorimetric methods reveals that μs-PHnC uniquely combines high heating rates with quasi-isothermal operation, thereby extending the applicability of nanocalorimetry to micrometer-scale samples while maintaining excellent resolution and reproducibility.
Discussion
The section discusses the development and validation of a novel microsecond-pulsed heating nanocalorimetry (μs-PHnC) technique, which enhances the measurement of heat capacity in ultrathin films and low-dimensional materials. This method operates by injecting controlled current through a metallic element, inducing rapid Joule heating and allowing for quasi-adiabatic conditions that minimize heat losses. The calorimetric measurements rely on the simultaneous determination of temperature, electrical power input, and heat losses, with the technique achieving heating rates on the order of $10^5 \, \text{K/s}$. The μs-PHnC method demonstrates improved spatial resolution and sensitivity, capturing thermal transitions with significantly reduced widths compared to traditional quasi-adiabatic nanocalorimetry (QAnC).
The findings indicate that μs-PHnC effectively confines the sensed area to the heater footprint, maintaining temperature homogeneity during measurements. Finite element modeling supports this by showing that temperature variations remain minimal during short pulses, which is critical for accurate calorimetric analysis. The technique’s performance was validated through experiments on CoO thin films, revealing a sharp lambda-type anomaly with a transition width reduced from approximately 20 K to 5 K. Furthermore, the method’s design allows for integration with external stimuli, facilitating the study of thermodynamic responses under varying conditions, thus broadening the applicability of calorimetry in material science, particularly for nanostructured and two-dimensional materials.