[發明專利]一種測量表面等離激元納米結構局域溫度的電學納米溫度計及測溫方法

有效

• 申請號: 202111305656.0
• 申請日: 2021-11-05
• 公開（公告）號: CN114034404B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 張青;梁印;趙麗云
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01K7/18
• 分類號: G01K7/18;G01K15/00
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 武玥;張紅生

本發明公開了一種測量表面等離激元納米結構局域溫度的電學納米溫度計及測溫方法，所述電學納米溫度計包括在絕熱襯底上的金屬三角天線和金屬傳感條，金屬三角的頂點正對金屬傳感條的中心，兩者相距一個納米隙，金屬傳感條兩端各連接兩個電極終端，電壓表和含源電流表分別通過金屬傳感條兩端的電極終端連接金屬傳感條。本發明通過伏安法測量傳感條的電阻來測量溫度，克服了傳統光學方法的衍射極限，擁有納米尺度的空間分辨率，且精度高(0.1K)、量程大(78?750K)和響應時間快(1.5s)。

技術領域

本發明屬于表面等離激元光熱效應技術領域，具體地，涉及一種測量表面等離激元納米結構局域溫度的電學納米溫度計及測溫方法。

背景技術

表面等離激元微納結構能夠將光場束縛在亞波長尺度，形成熱點，通過光熱效應可將光能轉換為熱能，并產生局部的高溫。近年來，其光熱效應的機制和應用已成為等離激元學的熱點，并已在太陽能器件、醫藥治療、化學催化和表面處理等領域展現出前景。其中，納米尺度的局部溫升的準確測量對于商業化應用十分重要。然而，常用的遠場光學手段，如使用拉曼位移、熒光強度或者壽命標定溫度，受限于衍射極限，測量的平均溫度約比局域熱點區域溫度小一個數量級，因此無法分辨納米尺度的溫度；而目前已有的納米尺度溫度探測的方法，如等離子體能量膨脹測溫方法，往往設備復雜，且分辨率低或者工作溫度有限。

電阻納米溫度計的原理為金屬電阻隨溫度線性變化，通過伏安法測量電阻即可得到溫度。其具有靈敏度高、工作溫度廣等優勢，但熱傳感電阻在空間上難以與熱電區域匹配，因此常規電學方法也無法得到納米尺度的熱點區域的準確溫度。因此，發展擁有高空間及溫度分辨率、廣工作溫度區間的納米溫度計十分必要，這將拓寬表面等離激元微納結構在能源、化學、生物等領域的應用。

鑒于此，本發明的主旨在于提出測量表面等離激元納米結構局域溫度的電學納米溫度計及其測溫方法。

發明內容

本發明的目的在于提供出一種測量表面等離激元納米結構局域溫度的電學納米溫度計，該溫度計擁有納米尺度的空間分辨率，且精度高(0.1K)、量程大(78-750K)和響應時間快(1.5s)，可被廣泛用于基于表面等離激元光熱效應的各種應用中的溫度監測和分析。

為實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案：

一種測量表面等離激元納米結構局域溫度的電學納米溫度計，所述電學納米溫度計包括絕熱襯底以及在絕熱襯底上構造的金屬三角天線和金屬傳感條，金屬三角天線的頂點正對金屬傳感條的中心，兩者相距一個納米隙，金屬傳感條兩端各連接兩個電極終端，電壓表和含源電流表分別通過金屬傳感條兩端的電極終端連接金屬傳感條。

優選地，所述絕熱襯底為硅片、玻璃和藍寶石中的一種。

優選地，在絕熱襯底上構造金屬三角天線和金屬傳感條的方法為EBL(electronbeam lithography，電子束曝光)和蒸鍍等方法。

優選地，所述金屬三角天線、金屬傳感條和電極的制作材料為鉑、金和鎳中的一種，進一步優選為鉑。

優選地，所述金屬三角天線的邊長為1-2μm，金屬傳感條的長度為500-800nm，寬度為100-300nm，兩者厚度相等，為10-100nm。所述金屬三角天線優選為等邊或等腰三角形。

優選地，所述納米隙的寬度為10-120nm，進一步優選為80nm。

一種基于上述測量表面等離激元光熱效應的電學納米溫度計的測溫方法，所述測溫方法包括標定和測量過程：

(1)通過外部溫控裝置將金屬傳感條溫度控制在78-750K之間，并每隔一定數值的溫度(優選間隔數值為10K)通伏安法測量金屬傳感條的電阻，擬合得到電阻-溫度線性關系；