[發(fā)明專利]一種基于原子力顯微鏡的納米熱電多參量原位定量表征裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210205677.X
• 申請(qǐng)日: 2012-06-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102692427A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-09-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾華榮;陳立東;趙坤宇;惠森興;殷慶瑞;李國(guó)榮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號(hào): G01N25/20
• 分類號(hào): G01N25/20
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 郭蔚

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)涉及一種基于原子力顯微鏡的納米熱電材料多參量原位定量表征裝置，屬于信號(hào)檢測(cè)儀器領(lǐng)域。

背景技術(shù)

熱電材料作為一種重要的戰(zhàn)略性能源材料，在微電子、光電子、深空探測(cè)、國(guó)防軍工、以及節(jié)能環(huán)保等眾多重要領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前，制約熱電材料廣泛應(yīng)用的最主要障礙就是其熱電轉(zhuǎn)換效率低，納米技術(shù)為發(fā)展高性能熱電材料開(kāi)辟了一條新途徑。由此，納米熱電材料已成為當(dāng)前國(guó)際熱電界最為活躍、最有希望取得突破的研究領(lǐng)域，而納米熱電性能的測(cè)量和表征亦日益成為該領(lǐng)域急需解決的挑戰(zhàn)性課題。

熱導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)是熱電材料物性中二個(gè)重要的物理參量，目前其表征仍然沿用傳統(tǒng)技術(shù)和方法，該方法具有以下局限性：(1)其熱激勵(lì)或熱檢測(cè)僅反映了樣品的宏觀性能，遠(yuǎn)未達(dá)到納米尺度水平；（2）其測(cè)試方法處于靜態(tài)，僅采用穩(wěn)態(tài)的熱激勵(lì)方式實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)檢測(cè)，無(wú)法反映熱電材料動(dòng)態(tài)性能及連續(xù)反映被檢測(cè)參量隨空間位置的變化狀態(tài)；（3）熱導(dǎo)、塞貝克系數(shù)等熱電多參量的測(cè)試是采用多套分立裝置完成的,無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)、同步檢測(cè)。因而，熱電材料物性的傳統(tǒng)測(cè)試方法難以實(shí)現(xiàn)納米熱電材料綜合物性的原位、實(shí)時(shí)、集成表征。針對(duì)以上局限性，本申請(qǐng)希望建立能實(shí)現(xiàn)納米熱電材料多參量物性的原位、無(wú)損、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、定量、納米表征系統(tǒng)，以滿足當(dāng)前迅猛發(fā)展的納米熱電材料物性表征之急需。

原子力顯微鏡（AFM）是當(dāng)前開(kāi)展納米科學(xué)研究的重要工具之一，它具有高精度控制、納米級(jí)分辨率等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，已成為一種成熟的納米檢測(cè)平臺(tái)，并為在其基礎(chǔ)上發(fā)展新技術(shù)、拓展新功能提供了重要平臺(tái)基礎(chǔ)。

本申請(qǐng)針對(duì)目前納米熱電物理性能表征的迫切需求，基于AFM納米平臺(tái)的檢測(cè)成熟性、功能齊全性及結(jié)構(gòu)完善性等特點(diǎn)，建立了納米熱電多參量的原位定量表征裝置，實(shí)現(xiàn)了納米熱電材料熱導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)的原位、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、定量測(cè)試，為深入研究納米熱電材料的熱電輸運(yùn)理論、納米熱電材料及其器件的深入發(fā)展提供了重要的原位定量納米表征方法。目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)此方面的報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容

本申請(qǐng)目的在于提供一種能夠用于納米熱電能源材料的納米熱導(dǎo)系數(shù)、納米塞貝克系數(shù)等熱電多參量表征用的原位定量納米表征裝置。該技術(shù)將原子力顯微鏡納米檢測(cè)功能與宏觀熱導(dǎo)率的三倍頻檢測(cè)原理及宏觀塞貝克系數(shù)測(cè)試原理相結(jié)合起來(lái)，基于商用AFM納米檢測(cè)平臺(tái)，建立起兼具納米級(jí)熱激勵(lì)和熱電多參量檢測(cè)特性的納米原位評(píng)價(jià)技術(shù)，有效解決了熱電材料納米熱電性能原位檢測(cè)這一關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。該新型納米技術(shù)不僅具有納米熱電多參量原位同時(shí)激發(fā)、原位同步表征的獨(dú)特功能，而且具有高分辨率、高靈敏度、高信噪比等優(yōu)點(diǎn)。本申請(qǐng)所述的關(guān)鍵技術(shù)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、兼容性強(qiáng)，適與不同商用AFM系統(tǒng)相結(jié)合，是一項(xiàng)易于推廣和應(yīng)用的新技術(shù)。

本申請(qǐng)采用了一種基于原子力顯微鏡的納米熱電能源材料多參量原位定量表征裝置，用于檢測(cè)一被測(cè)納米熱電材料樣品的微區(qū)熱導(dǎo)系數(shù)和塞貝克系數(shù)等熱電物性參量，其特征在于，包括：一納米熱電多參量的原子力顯微鏡原位激勵(lì)平臺(tái)，用于提供納米熱電多參量激發(fā)所需的基本硬件平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)原位同時(shí)激發(fā)納米熱電材料微區(qū)三倍頻熱導(dǎo)信號(hào)和微區(qū)穩(wěn)態(tài)塞貝克直流電壓信號(hào)；一納米熱電多參量原位檢測(cè)平臺(tái)，用于實(shí)現(xiàn)納米熱電材料微區(qū)熱導(dǎo)和塞貝克電壓的原位實(shí)時(shí)檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)顯示微區(qū)熱導(dǎo)系數(shù)和塞貝克系數(shù)的定量表征結(jié)果。

比較好的是，所述納米熱電多參量的原子力顯微鏡原位激勵(lì)平臺(tái)進(jìn)一步包括：一原子力顯微鏡平臺(tái)，一熱電檢測(cè)探針，一熱電參考探針，兩個(gè)可調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)，一信號(hào)發(fā)生器，一熱電材料，一陶瓷絕緣層，一磁性底座，一信號(hào)傳輸端，一微區(qū)熱導(dǎo)信號(hào)輸出端口，一微區(qū)塞貝克電壓信號(hào)輸出端口，所述被測(cè)熱電材料樣品通過(guò)下墊所述陶瓷絕緣層置于所述磁性底座上，所述熱電檢測(cè)探針、熱電參考探針、兩個(gè)可調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)發(fā)生器組成一惠斯通電橋，所述熱電檢測(cè)探針置于所述被測(cè)熱電材料樣品上并接觸，以檢測(cè)所述被測(cè)熱電材料樣品激勵(lì)點(diǎn)的電壓；所述微區(qū)塞貝克電壓信號(hào)輸出端口的第一端通過(guò)所述信號(hào)傳輸端接收所述被測(cè)熱電材料樣品另一區(qū)域的電壓信號(hào)，所述微區(qū)塞貝克電壓信號(hào)輸出端口的第二端與所述惠斯通電橋接地端相連；所述微區(qū)熱導(dǎo)信號(hào)輸出端口的第一端連接所述熱電檢測(cè)探針與所述惠斯通電橋相連端，其第二端連接所述熱電參考探針與所述惠斯通電橋相連端。

比較好的是，所述原子力顯微鏡平臺(tái)的工作模式為接觸模式。