[發明專利]熱電檢測系統與熱電檢測方法

在審

• 申請號: 201710034731.1
• 申請日: 2017-01-18
• 公開（公告）號: CN106770445A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 歐云;謝淑紅;鄒代峰;趙晉津;付比;劉正浩
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01R31/00
• 代理公司: 深圳國新南方知識產權代理有限公司44374
• 代理人: 黃建才,李明香

技術領域

本發明涉及電子技術領域，尤其涉及一種熱電檢測系統與熱電檢測方法。

背景技術

隨著材料與器件的低維化和微型化，納米尺度上的電、熱輸運問題日益突出，對納米材料與器件的性能產生很大的影響，對其研究也已成為材料科學、凝聚態物理以及微納器件等交叉領域的前沿熱點。半導體材料中的載流子在外電場以及溫度梯度的驅動下會發生定向移動，引起電、熱傳導之間的相互耦合，而這一遷移也會受到材料中的雜質、缺陷、界面以及晶格振動的散射。這些因素互相競爭，使材料最終達到穩態的非平衡狀態。在納米復合材料中，這一效應最為明顯。

由于引入納米顆粒，短波聲子被強烈地散射，因此材料總的熱導率可以通過調節納米粒子的特征尺寸來實現。例如，在SiGe合金中引入Si納米顆粒，可使其熱導率大幅度降低。而對于低維納米材料與結構，由于聲子處于受限狀態，其輸運機制也相當復雜，與納米結構的形狀、尺寸、表面以及邊界密切有關。當前，在理論上，對于近平衡態的穩態輸運現象，可以采用線性不可逆過程熱力學加以分析，并通過求解玻爾茲曼方程得到輸運系數。然而，為了深入研究低維材料與納米結構的電、熱微觀輸運機理，我們必須從實驗上，特別是在納米尺度，對其輸運系數進行測量，從而準確把握材料雜質、缺陷以及界面對輸運性質的影響，并與理論計算進行比較。目前，還沒有可靠的實驗手段來實現這一目標。針對這一問題，本發明希望發展一種基于掃描探針的材料納米尺度熱電檢測系統，實現對電、熱輸運過程的有效調控，從而加深和促進人們對電、熱輸運微觀機理的理解，具有很重要的意義。

發明內容

基于目前低維熱電物理性能表征困難、儀器需求迫切的前提，本發明提出了一種熱電檢測系統及熱電檢測方法，用于材料納米尺度熱電性能檢測。

一種熱電檢測系統，用于檢測材料納米尺度的熱電性能，，所述熱電檢測系統包括激光激勵模塊、掃描探針、樣品臺、檢測電路和控制器，所述樣品臺用于承載樣品，所述激光激勵模塊用于在激光激勵模式下發出激光加熱樣品，所述掃描探針用于對樣品的進行檢測，所述檢測電路用于偵測所述掃描探針的電信號變化以輸出檢測信號，所述控制器用于接收所述檢測電路輸出的檢測信號并基于所述檢測信號分析所述樣品的熱電性能。

在一種實施方式中，所述激光激勵模塊包括激光發生器、激光檢測器及激光調節器，所述激光發生器用于發出激光加熱樣品，所述激光檢測器用于檢測所述激光發生器發出的激光并輸出檢測信號，所述激光調節器用于基于所述激光檢測器輸出的檢測信號發出控制信號至所述激光發生器以調節所述激光發生器發出的激光。

在一種實施方式中，所述激光發生器的尺寸為100*40*40mm。

在一種實施方式中，所述激光發生器包括光源與光學截光器，所述光學截光器用于對所述光源進行開關或頻率調制。

在一種實施方式中，所述控制器包括鎖相放大器，所述鎖相放大器用于對所述檢測電路輸出的檢測信號進行采集，并配合所述光學截光器的開關對樣品進行基于時間尺度的瞬態表征。

在一種實施方式中，所述鎖相放大器為雙頻鎖相放大器，所述雙頻鎖相放大器用于對所述檢測信號進行一倍頻與三倍頻的測量而獲取一倍頻的檢測信號與三倍頻的檢測信號供后續分析，其中所述三倍頻的檢測信號體現樣品的熱導率。

在一種實施方式中，所述控制器還包括傳感器、信號處理模塊及高速多路數據采集模塊，所述傳感器用于將所述鎖相放大器輸出的檢測信號轉換為轉換信號，所述信號處理模塊用于對所述轉換信號進行去噪、放大、濾波處理以將所述轉換信號轉變為所述高速多路數據采集模塊能夠識別的標準信號，所述高速多路數據采集模塊用于將所述標準信號記錄在計算機系統中。

在一種實施方式中，所述激光激勵模塊從樣品遠離所述樣品臺的一側發出激光對樣品進行加熱，所述激光激勵模塊的功率在0.1mW到10mW的范圍內，所述激光激勵模塊的發生頻率在5kHz以內的范圍內，所述激光波長為360nm-800nm。

在一種實施方式中，所述激光激勵模塊從樣品臺遠離所述樣品的一側發出激光，所述激光經由貫穿所述樣品臺的通孔照射到所述樣品上對樣品進行加熱，所述激光激勵模塊的功率為250mW，所述激光激勵模塊的發生頻率在5kHz以內的范圍內，所述激光波長為360nm-800nm。。