[发明专利]一种基于原子力显微镜的纳米热电多参量原位定量表征装置

说明书

技术领域

本申请涉及一种基于原子力显微镜的纳米热电材料多参量原位定量表征装置，属于信号检测仪器领域。

背景技术

热电材料作为一种重要的战略性能源材料，在微电子、光电子、深空探测、国防军工、以及节能环保等众多重要领域具有十分广阔的应用前景。当前，制约热电材料广泛应用的最主要障碍就是其热电转换效率低，纳米技术为发展高性能热电材料开辟了一条新途径。由此，纳米热电材料已成为当前国际热电界最为活跃、最有希望取得突破的研究领域，而纳米热电性能的测量和表征亦日益成为该领域急需解决的挑战性课题。

热导率和塞贝克系数是热电材料物性中二个重要的物理参量，目前其表征仍然沿用传统技术和方法，该方法具有以下局限性：(1)其热激励或热检测仅反映了样品的宏观性能，远未达到纳米尺度水平；（2）其测试方法处于静态，仅采用稳态的热激励方式实现单点检测，无法反映热电材料动态性能及连续反映被检测参量随空间位置的变化状态；（3）热导、塞贝克系数等热电多参量的测试是采用多套分立装置完成的,无法达到实时、同步检测。因而，热电材料物性的传统测试方法难以实现纳米热电材料综合物性的原位、实时、集成表征。针对以上局限性，本申请希望建立能实现纳米热电材料多参量物性的原位、无损、实时、动态、定量、纳米表征系统，以满足当前迅猛发展的纳米热电材料物性表征之急需。

原子力显微镜（AFM）是当前开展纳米科学研究的重要工具之一，它具有高精度控制、纳米级分辨率等独特优点，已成为一种成熟的纳米检测平台，并为在其基础上发展新技术、拓展新功能提供了重要平台基础。

本申请针对目前纳米热电物理性能表征的迫切需求，基于AFM纳米平台的检测成熟性、功能齐全性及结构完善性等特点，建立了纳米热电多参量的原位定量表征装置，实现了纳米热电材料热导率和塞贝克系数的原位、实时、动态、定量测试，为深入研究纳米热电材料的热电输运理论、纳米热电材料及其器件的深入发展提供了重要的原位定量纳米表征方法。目前国内外尚无此方面的报导。

发明内容

本申请目的在于提供一种能够用于纳米热电能源材料的纳米热导系数、纳米塞贝克系数等热电多参量表征用的原位定量纳米表征装置。该技术将原子力显微镜纳米检测功能与宏观热导率的三倍频检测原理及宏观塞贝克系数测试原理相结合起来，基于商用AFM纳米检测平台，建立起兼具纳米级热激励和热电多参量检测特性的纳米原位评价技术，有效解决了热电材料纳米热电性能原位检测这一关键技术难点。该新型纳米技术不仅具有纳米热电多参量原位同时激发、原位同步表征的独特功能，而且具有高分辨率、高灵敏度、高信噪比等优点。本申请所述的关键技术装置结构简单、兼容性强，适与不同商用AFM系统相结合，是一项易于推广和应用的新技术。

本申请采用了一种基于原子力显微镜的纳米热电能源材料多参量原位定量表征装置，用于检测一被测纳米热电材料样品的微区热导系数和塞贝克系数等热电物性参量，其特征在于，包括：一纳米热电多参量的原子力显微镜原位激励平台，用于提供纳米热电多参量激发所需的基本硬件平台，并实现原位同时激发纳米热电材料微区三倍频热导信号和微区稳态塞贝克直流电压信号；一纳米热电多参量原位检测平台，用于实现纳米热电材料微区热导和塞贝克电压的原位实时检测及数据处理，实时显示微区热导系数和塞贝克系数的定量表征结果。

比较好的是，所述纳米热电多参量的原子力显微镜原位激励平台进一步包括：一原子力显微镜平台，一热电检测探针，一热电参考探针，两个可调电阻网络，一信号发生器，一热电材料，一陶瓷绝缘层，一磁性底座，一信号传输端，一微区热导信号输出端口，一微区塞贝克电压信号输出端口，所述被测热电材料样品通过下垫所述陶瓷绝缘层置于所述磁性底座上，所述热电检测探针、热电参考探针、两个可调电阻网络和信号发生器组成一惠斯通电桥，所述热电检测探针置于所述被测热电材料样品上并接触，以检测所述被测热电材料样品激励点的电压；所述微区塞贝克电压信号输出端口的第一端通过所述信号传输端接收所述被测热电材料样品另一区域的电压信号，所述微区塞贝克电压信号输出端口的第二端与所述惠斯通电桥接地端相连；所述微区热导信号输出端口的第一端连接所述热电检测探针与所述惠斯通电桥相连端，其第二端连接所述热电参考探针与所述惠斯通电桥相连端。

比较好的是，所述原子力显微镜平台的工作模式为接触模式。