[發明專利]一種基于石墨烯無源熱電偶的溫度探測方法

有效

• 申請號: 201410709659.4
• 申請日: 2014-11-27
• 公開（公告）號: CN105698953B
• 公開（公告）日: 2018-08-28
• 發明（設計）人: 王鍇成;賈越輝;王紫東;彭沛;任黎明;傅云義
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01K7/04
• 分類號: G01K7/04
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙) 11360
• 代理人: 賈曉玲

本發明公開了一種基于石墨烯無源熱電偶的微納尺度溫度探測方法，該測試方法基于石墨烯的賽貝克系數可以調節，用石墨烯一種材料，制備傳統上需要兩種材料才可以制備的熱電偶器件，實現溫度探測。本發明同時避免傳統的利用外加電壓調制石墨烯賽貝克系數的方式，直接通過不同功函數的金屬接觸，使得不同區域的石墨烯賽貝克系數不同。本發明既可以直接集成在芯片上原位測量，也可以集成在探針頭上，用于掃描不同樣品的溫度梯度。

技術領域

本發明屬于微納尺度器件技術領域，具體涉及一種基于石墨烯無源熱電偶的微納尺度溫度探測方法。

背景技術

微納尺度下溫度的測量對于納米科學和生物技術具有重要意義。按照探測機理分類，目前主要的測量手段有光致發光型和非光致發光型的溫度計。光致發光型溫度計包括紅外、拉曼、熒光溫度計等，非光致發光型溫度計包括熱電偶、液晶溫度計、掃描熱能顯微鏡等，其中熱電偶作為無源器件，因為其原理、結構簡單，具有獨特優勢(Brites,Carlos DS,et al.Thermometry at the nanoscale.Nanoscale 4.16(2012):4799-4829.)。

熱電偶通過兩種熱電材料的賽貝克系數差值，將溫度差值轉化為電壓差，實現溫度測量。然而普通熱電偶需要兩種不同的材料，或者需要用外加不同電壓改變同一種材料的賽貝克系數，這使得微納尺度下的加工和集成比較困難。

發明內容

本發明的目的在于提出一種基于石墨烯無源熱電偶的微納尺度溫度探測方法。該測試方法基于石墨烯的賽貝克系數可以調節，用石墨烯一種材料，制備傳統上需要兩種材料才可以制備的熱電偶器件，實現溫度探測。

為達到本發明的上述目的，本發明提供的溫度探測方法，包括如下步驟：

1)合成單層石墨烯薄膜，并將石墨烯轉移至襯底上；

2)采用電子束曝光、顯影、刻蝕石墨烯，形成U形的石墨烯無源熱電偶，以及多個U形石墨烯無源熱電偶構成陣列；

3)在石墨烯無源熱電偶上濺射兩種不同金屬材料制備的電極，獲取上述石墨烯無源熱電偶的電壓ΔU；

4)根據公式ΔT＝ΔU/(S₁-S₂)，得到石墨烯無源熱電偶測試的溫度，其中S₁、S₂為石墨烯接觸金屬后的賽貝克系數。

如圖1所示，本發明石墨烯無源熱電偶的橫向尺寸為：兩個彎頭的寬度d₁、d₃在50nm～500nm范圍內，彎頭之間的寬度d₂不小于200nm，石墨烯無源熱電偶的縱向的尺寸為：橫梁的寬度h₁在100nm～500nm范圍內，彎頭的長度h₂不小于200nm。

外圍讀取電路可采用存儲器的結構，用字線和位線結合的方式，掃描讀取電壓。

本發明的工作原理：石墨烯的能帶結構改變時(例如在外加柵壓的情況下)，賽貝克系數會顯著變化(Dragoman,D.,and M.Dragoman.Giant thermoelectric effect ingraphene.Applied Physics Letters 91.20(2007):203116.)。而調制石墨烯的費米能級還可以通過金屬與石墨烯的接觸來實現，當金屬與石墨烯表面間距較大時，金屬與石墨烯的接觸所引起的費米能級的變化值幾乎是常數，Al使得石墨烯n摻雜，Au、Ag、Cu、Pt使得石墨烯p摻雜(Giovannetti,G.,et al.Doping graphene with metal contacts.PhysicalReview Letters 101.2(2008):026803.)。利用這一現象，合理設計金屬與石墨烯的位置，使得同一片石墨烯上的摻雜類型不同，進而產生賽貝克系數的差值用來制成熱電偶。

本發明的技術優點：