Светящиеся наночастицы помогут определять температуру работающих микрочипов

Ученые разработали бесконтактный способ измерения температуры микроэлектронных устройств, основанный на способности «термометра» менять свое свечение при нагреве. Авторы использовали наночастицы, несущие ионы редкоземельных металлов эрбия и иттербия, которые стали «термометрами». Новые материалы эффективно регистрировали температуру в диапазоне 25–110°C, и погрешность их измерений оказалась 0,9°C, что обеспечивает требуемый предел точности для таких устройств. Благодаря этому предложенные материалы найдут применение в микроэлектронике и в медицине для бесконтактного и точного измерения температуры микросхем и живых клеток. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Materials Today.

Традиционные контактные методы измерения температуры не подходят для задач микроэлектроники. Контактные датчики значительно больше элементов микросхем и неустойчивы к электромагнитным помехам, что затрудняет точное измерение температуры. В качестве альтернативного решения можно использовать бесконтактную люминесцентную термометрию. Люминесцентные датчики улавливают тепло, испускаемое элементом микросхемы, и меняют свое свечение в ответ. Отслеживая эти изменения, специалисты делают вывод о температуре объекта. Такой метод позволяет быстро измерять степень нагрева очень маленьких объектов, при этом не повреждая их структуру. Однако оптимальный состав люминесцентных датчиков, эффективно измеряющих температуру, еще не подобран.

Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург), Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (Санкт-Петербург) и Южного медицинского университета (Китай) предложили использовать в качестве материалов для люминесцентного термометра оксиды (соединения с кислородом) редкоземельных элементов, модифицированные заряженными частицами (ионами) эрбия и иттербия. Авторы выбрали именно их, так как эти элементы способны заметно менять свое свечение в ответ даже на небольшое тепло. В результате синтезированные образцы проявляли интенсивную люминесценцию как при понижении, так и при повышении температуры.

Авторы сравнили два способа термометрии с использованием синтезированных наночастиц. Вторичная термометрия — классический метод, при котором специалисты предварительно определяют зависимость между свечением датчика и температурой, и по этой зависимости рассчитывают эталонные значения, на которые опираются при дальнейших измерениях. Первичная термометрия — более сложный метод, при котором температура рассчитывается напрямую с помощью физических законов. Разработанный материал оказался пригодным для обоих методов при измерениях в диапазоне температур 25–110°C. Ученые также провели эксперимент на реальном микроэлектронном устройстве — графическом процессоре видеокарты. Авторы нанесли на поверхность чипа тонкий слой разработанного материала. Изменяя нагрузку на процессор видеокарты, исследователи дистанционно следили за его нагревом. Результаты подтвердили надежность метода: данные, полученные с помощью люминесцентной термометрии, совпали с показаниями тепловизора с погрешностью всего в 1–2°C. При этом в режиме первичной термометрии с инфракрасным возбуждением, имитирующим нагрев, ошибка оказалась еще ниже — около 0,9°C.

«Предложенные нами датчики оказались достаточно эффективными тепловыми сенсорами, работающими в температурном диапазоне, важном для задач микроэлектроники. Они позволят дистанционно измерять температуру электронных компонентов с высокой чувствительностью. В дальнейшем мы планируем повысить надежность и точность измерения температуры с помощью одновременного анализа нескольких температурно-зависимых люминесцентных параметров», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Илья Колесников, доктор физико-математических наук, научный сотрудник кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения Института химии Санкт-Петербургского государственного университета.