[发明专利]一种纳米磁-电-热多参量耦合原位探测系统及其探测方法

说明书

本发明提供了一种纳米磁‑电‑热多参量耦合原位探测系统。该系统采用具有磁性、导电、热电阻功能的探针，能够提供样品的表面形貌与磁信号探测、热信号探测以及电信号探测模式。通过控制探针的位移或振动轨迹，能够原位、同步、实时地探测样品的磁、热、电性能。因此，该系统克服了现有扫描探针显微镜仅具有磁、电信号中的一种或两种的探测功能的局限性；同时，能够原位、同步、实时地探测材料的温度与热导分布、磁畴结构、铁电/压电畴结构、导电畴结构及其动态演化过程，从而直观地研究材料的磁‑电‑热之间的耦合规律与机制，有助于降低微/纳器件的功耗，提高其稳定性和集成度，大大推进微/纳尺度热科学的发展。

技术领域

本发明涉及微、纳尺度信号检测领域，尤其是涉及到一种纳米磁-电-热多参量耦合原位探测系统及其表征方法。

背景技术

微/纳尺度下探测与热相关的物性，理解发热和散热的物理过程已经成为现代热科学中的一个崭新的分支—微/纳尺度热科学。

在微/纳尺度下，材料和器件的热学行为会偏离经典传热学所描述的规律，体现出强烈的尺度效应，材料的微观结构和畴结构对热学性质的影响尤为重要，一个微裂纹、空穴、晶界、乃至一个畴壁都可能影响到材料的热学性质。以多铁材料为例，在外场驱动下的磁/电畴翻转(或畴壁移动)和漏电流都会引起微区发热。

当前，研究多铁性材料中磁畴、铁电畴、导电畴与微区发热和导热的关联规律，对于降低磁电微纳器件的功耗、提高其稳定性和集成度具有非常重要的指导作用。以基于铁电/铁磁复合薄膜制作的振荡器为例，对器件施加高频电场，铁电薄膜产生高频逆压电响应，即高频的电致伸缩效应，所产生的动态应力传递给铁磁层，引起铁磁层磁化方向转动，从而间接地实现了电场对磁矩的高频转动。从微观尺度来看，这个电场控制磁矩转动的过程伴随着磁/电畴转动、畴壁位移、铁磁/铁电界面损耗(界面摩擦)，这些微观过程都可能引起微区发热。而对于微/纳器件来说，其热导率远小于宏观器件的热导率，这种局域的发热不仅会增加器件功耗，还会导致器件寿命缩短、可靠性大幅降低，甚至有可能直接将器件烧毁。

因此，为了降低磁电器件的功耗，提高稳定性和集成度，研究微区发热与导热过程及其微观机制非常重要。如果能够在微区内原位、同步、实时地探测磁学性质、电学性质和热学性质，研究磁畴结构、铁电畴结构、导电畴结构与微区温度以及热导之间的关联，对于理解微/纳尺度器件的微区发热与散热的物理机制，降低器件发热、提高器件散热能力和集成度具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种纳米磁-电-热多参量耦合原位探测系统，该系统能够原位、同步、实时地探测材料的磁学性质、电学性质和热学性质。

本发明实现上述目的所采用的技术方案为：一种纳米磁-电-热多参量耦合原位探测系统，包括如下：

(1)扫描探针显微镜平台、探针、探针控制单元

探针控制单元：用于驱动或者控制探针进行位移和/或振动；

探针：具有磁性、导电性与导热性，用于探测磁、电、热信号；

所述的探针包括探针臂与针尖；

(2)形貌与磁性信号检测平台

包括位移或振动信号采集单元，用于接收探针的位移信号或振动信号；

探针自初始位置对样品表面进行横向定向扫描，扫描过程中控制探针针尖与样品表面点接触或振动点接触，位移或振动信号采集单元接收探针针尖的纵向位移信号或振动信号，经采集分析得到样品的形貌信号；

探针返回至初始位置并且向上抬高一定距离后按照所述的横向定向对样品表面进行扫描，扫描过程中控制探针针尖沿所述的形貌曲线进行纵向位移或者振动，位移或振动信号采集单元接收探针针尖的纵向位移信号或振动信号，经采集分析得到样品的磁信号；

(3)热信号检测平台