[發(fā)明專利]一種基于石墨烯無(wú)源熱電偶的溫度探測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410709659.4
• 申請(qǐng)日: 2014-11-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105698953B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-08-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王鍇成;賈越輝;王紫東;彭沛;任黎明;傅云義
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): G01K7/04
• 分類號(hào): G01K7/04
• 代理公司: 北京萬(wàn)象新悅知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11360
• 代理人: 賈曉玲

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于石墨烯無(wú)源熱電偶的微納尺度溫度探測(cè)方法，該測(cè)試方法基于石墨烯的賽貝克系數(shù)可以調(diào)節(jié)，用石墨烯一種材料，制備傳統(tǒng)上需要兩種材料才可以制備的熱電偶器件，實(shí)現(xiàn)溫度探測(cè)。本發(fā)明同時(shí)避免傳統(tǒng)的利用外加電壓調(diào)制石墨烯賽貝克系數(shù)的方式，直接通過(guò)不同功函數(shù)的金屬接觸，使得不同區(qū)域的石墨烯賽貝克系數(shù)不同。本發(fā)明既可以直接集成在芯片上原位測(cè)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(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微納尺度器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯無(wú)源熱電偶的微納尺度溫度探測(cè)方法。

背景技術(shù)

微納尺度下溫度的測(cè)量對(duì)于納米科學(xué)和生物技術(shù)具有重要意義。按照探測(cè)機(jī)理分類，目前主要的測(cè)量手段有光致發(fā)光型和非光致發(fā)光型的溫度計(jì)。光致發(fā)光型溫度計(jì)包括紅外、拉曼、熒光溫度計(jì)等，非光致發(fā)光型溫度計(jì)包括熱電偶、液晶溫度計(jì)、掃描熱能顯微鏡等，其中熱電偶作為無(wú)源器件，因?yàn)槠湓怼⒔Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)(Brites,Carlos DS,et al.Thermometry at the nanoscale.Nanoscale 4.16(2012):4799-4829.)。

熱電偶通過(guò)兩種熱電材料的賽貝克系數(shù)差值，將溫度差值轉(zhuǎn)化為電壓差，實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)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(shù)，這使得微納尺度下的加工和集成比較困難。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種基于石墨烯無(wú)源熱電偶的微納尺度溫度探測(cè)方法。該測(cè)試方法基于石墨烯的賽貝克系數(shù)可以調(diào)節(jié)，用石墨烯一種材料，制備傳統(tǒng)上需要兩種材料才可以制備的熱電偶器件，實(shí)現(xiàn)溫度探測(cè)。

為達(dá)到本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供的溫度探測(cè)方法，包括如下步驟：

1)合成單層石墨烯薄膜，并將石墨烯轉(zhuǎn)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(wú)源熱電偶，以及多個(gè)U形石墨烯無(wú)源熱電偶構(gòu)成陣列；

3)在石墨烯無(wú)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(wú)源熱電偶的電壓ΔU；

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

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

外圍讀取電路可采用存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，用字線和位線結(jié)合的方式，掃描讀取電壓。

本發(fā)明的工作原理：石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)改變時(shí)(例如在外加?xùn)艍旱那闆r下)，賽貝克系數(shù)會(huì)顯著變化(Dragoman,D.,and M.Dragoman.Giant thermoelectric effect ingraphene.Applied Physics Letters 91.20(2007):203116.)。而調(diào)制石墨烯的費(fèi)米能級(jí)還可以通過(guò)金屬與石墨烯的接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)金屬與石墨烯表面間距較大時(shí)，金屬與石墨烯的接觸所引起的費(fèi)米能級(jí)的變化值幾乎是常數(shù)，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(xiàn)象，合理設(shè)計(jì)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(jìn)而產(chǎn)生賽貝克系數(shù)的差值用來(lái)制成熱電偶。

本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：