[發(fā)明專利]一種納米尺度極低熱導(dǎo)的原位表征裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810595102.0
• 申請日: 2018-06-11
• 公開（公告）號: CN110579628B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曾華榮;陳立東;徐琨淇;趙坤宇;李國榮
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: G01Q60/24
• 分類號: G01Q60/24;G01Q30/00;G01Q30/04
• 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

本申請公開了一種納米尺度極低熱導(dǎo)的原位表征裝置，用于檢測一被測熱電材料樣品的微區(qū)熱導(dǎo)，包括：一納米尺度熱學(xué)信號原位激勵模塊，用于原位激發(fā)與所述被測材料接觸前后的微區(qū)熱導(dǎo)相關(guān)的一倍頻、三倍頻熱學(xué)信號；一納米尺度熱學(xué)信號原位檢測模塊，用于實(shí)現(xiàn)所述一倍頻、三倍頻熱學(xué)信號的原位實(shí)時檢測和處理，并顯示微區(qū)熱導(dǎo)的原位表征結(jié)果；所述熱電探針加熱頻率在90Hz～760Hz范圍內(nèi)，ΔV_3ω與lnω呈線性關(guān)系，根據(jù)其線性部分的斜率則可定量表征出所述微區(qū)熱導(dǎo)λ_s。本申請將原子力顯微鏡納米檢測功能、探針焦耳熱效應(yīng)、熱檢測的三倍頻激發(fā)與線熱源模型相結(jié)合，建立其基于原子力顯微鏡的納米尺度極低熱導(dǎo)的原位表征裝置。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請屬于信號檢測儀器領(lǐng)域，尤其涉及一種納米尺度極低熱導(dǎo)的原位表征裝置。

背景技術(shù)

基于熱能與電能相互轉(zhuǎn)換效應(yīng)的熱電材料已成為當(dāng)前一種重要的清潔能源材料，在熱電發(fā)電和熱電制冷等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，例如工業(yè)余熱的高效多級利用、環(huán)保能量回收、特種電源、高功率電子技術(shù)以及微小型制冷等。高性能、高熱電轉(zhuǎn)換效率的熱電材料和器件要求材料具有高電導(dǎo)、低熱導(dǎo)等獨(dú)特性能。熱導(dǎo)率是影響熱電材料能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵參量，熱導(dǎo)率愈低，對熱電轉(zhuǎn)換效率貢獻(xiàn)就越顯著。新近發(fā)展的局域“聲子液體-電子晶體”特征的新型快離子導(dǎo)體熱電材料，如Cu₂Se具有極低的熱導(dǎo)率(0.2W/m·K)；又如摻雜的硒化錫熱電晶體，表現(xiàn)出超低的熱導(dǎo)率(0.17W/m·K)。此外，有機(jī)聚合物熱電材料也多表現(xiàn)出低熱導(dǎo)的特點(diǎn)(大多低于0.5W/m·K)，且有機(jī)熱電材料在柔性、低成本熱電應(yīng)用方面展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。

在熱電材料中，納米第二相和晶界在高熱電性能方面起著至關(guān)重要的作用。通過引入位錯，納米第二相和晶界可以極大地散射中低頻聲子，降低晶格熱導(dǎo)率，從而提高材料的熱電性能。但是，納米第二相和晶界等微觀因素對熱電性能研究還不深入，迫切需要發(fā)展新的方法來實(shí)現(xiàn)納米尺度熱電參量的原位表征，從而建立各微觀因素和電熱輸運(yùn)之間的聯(lián)系，推動高性能熱電材料和熱電器件的設(shè)計與優(yōu)化。

目前宏觀熱導(dǎo)的測量技術(shù)如穩(wěn)態(tài)測量法、非穩(wěn)態(tài)法等難以滿足微觀熱導(dǎo)測量的迫切需求。針對該局限性，本申請希望發(fā)展一種基于原子力顯微鏡的納米尺度極低熱導(dǎo)的原位表征裝置，實(shí)現(xiàn)熱電材料極低熱導(dǎo)的原位動態(tài)表征，以滿足日益發(fā)展的高性能熱電材料的納米熱電物理性能表征之急需。

發(fā)明內(nèi)容

應(yīng)當(dāng)理解，本公開以上的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都是示例性和說明性的，并且旨在為如權(quán)利要求所述的本公開提供進(jìn)一步的解釋。

針對上述目前高性能熱電材料和器件研究之急需，本申請是在普通原子力顯微鏡(AFM)平臺上提出一種用于實(shí)現(xiàn)納米尺度極低熱導(dǎo)原位表征裝置，實(shí)現(xiàn)熱電材料和器件微區(qū)熱導(dǎo)的原位測量，為有關(guān)高性能熱電材料的極低熱導(dǎo)提供一種高分辨原位表征技術(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出了一種納米尺度極低熱導(dǎo)的原位表征裝置，用于檢測一被測熱電材料樣品的微區(qū)熱導(dǎo)，其特征在于，所述裝置進(jìn)一步包括：

一納米尺度熱學(xué)信號原位激勵模塊，用于原位激發(fā)與所述被測材料接觸前后的微區(qū)熱導(dǎo)相關(guān)的一倍頻、三倍頻熱學(xué)信號；

一納米尺度熱學(xué)信號原位檢測模塊，用于實(shí)現(xiàn)所述一倍頻、三倍頻熱學(xué)信號的原位實(shí)時檢測和處理，并顯示微區(qū)熱導(dǎo)的原位表征結(jié)果；

所述微區(qū)熱導(dǎo)表達(dá)式為：

其中，ΔV_3ω為熱電探針接觸被測熱電材料樣品前后的三倍頻信號之差，V_ω為熱電探針一倍頻信號，ω為熱電探針加熱頻率，λ_s為微區(qū)熱導(dǎo)，R₀為熱電探針室溫電阻，C為常數(shù)，所述熱電探針加熱頻率ω在90Hz～760Hz范圍內(nèi)，根據(jù)ΔV_3ω與lnω線性關(guān)系的斜率定量表征出所述微區(qū)熱導(dǎo)λ_s。