[发明专利]一种基于原子力显微镜的纳米热电塞贝克系数原位定量表征装置

说明书

技术领域

本申请涉及一种基于原子力显微镜（简称AFM）的纳米热电塞贝克系数的原位定量表征装置，属于信号检测仪器领域。

背景技术

纳米热电能源材料已成为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，纳米热电性能检测亦日益成为该领域急需解决的挑战性课题。塞贝克系数是热电材料一个重要的物理参量，目前其表征仍然沿用传统方法，即不仅要采用温度传感器直接测量材料两端的温度差，而且也需要同时测量由温差所引起的电位差。显然，该方法对纳米热电材料而言具有以下几点难以克服的局限性：（1）难以实现低维纳米热电材料温度差的直接引入及直接测量，进而难以实现该温差所引起的电位差的测定；（2）传统方法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。针对上述局限性，本申请希望建立无需直接测量温度变化而实现纳米热电材料塞贝克系数的原位、无损、实时、动态表征技术，以满足当前迅猛发展的纳米热电材料性能表征之急需。

发明内容

基于目前纳米热电物理性能表征之迫切需求，本申请是在同日递交的发明专利申请“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”的基础上，进一步提出了一种基于原子力显微镜纳米平台表征热电材料纳米塞贝克系数的新技术原理，并藉此建立了无需直接测量温度变化即可直接原位定量表征纳米热电塞贝克系数参量的关键技术装置和相关的测试方法，实现了纳米热电材料塞贝克系数的原位、实时、动态、定量测试，为有关热电材料纳米尺度热电输运行为物理本质的深入研究及有关纳米热电器件的物性评价提供了一种原理简单、测试直接的原位定量纳米表征技术。

本申请公开了一种基于原子力显微镜的纳米热电塞贝克系数原位定量表征装置，用于检测一被测纳米热电材料样品的微区塞贝克系数，其特征在于，所述装置进一步包括：一谐波信号的原子力显微镜原位激励平台，用于提供发展纳米热电塞贝克系数原位表征装置的原子力显微镜平台，并原位同时激发纳米热电材料微区二倍频、三倍频谐波信号；一纳米热电塞贝克系数原位检测平台，用于实现所述纳米热电材料微区二倍频、三倍频的原位实时检测和处理，并显示微区塞贝克系数热电参量的原位表征结果。

比较好的是，所述谐波信号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，一微区二倍频谐波电压信号输出端口，一微区三倍频谐波电压信号输出端口，其中，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；所述微区二倍频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，所述微区二倍频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；所述微区三倍频电压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。

比较好的是，所述热电检测探针为一具热敏电阻特性的探针，同时具有微区激励源、信号传感器及检测源的功能；所述热电检测探针为原子力显微镜接触模式，其作为反馈参量的微悬臂形变量为0.1-5nm，与所述被测热电材料样品互作用接触面积的直径为30-100nm。

比较好的是，所述热电探针的工作频率范围为100Hz-10kHz，工作电流范围为1mA-100mA。

比较好的是，所述纳米热电塞贝克系数原位检测平台进一步包括：一高灵敏度锁相放大器，一前端回路处理模块，一高灵敏度锁相放大器，一数据处理和显示系统等，用于实现微弱二倍频和三倍频谐波电压信号的原位实时检测、处理和显示微区塞贝克系数热电参量的原位表征结果