[发明专利]一种原子力显微镜用热波跳变控制激励的原位表征纳米尺度热导率的装置

说明书

本申请公开了一种原子力显微镜用热波跳变控制激励的原位表征纳米尺度热导率的装置，用于实现样品材料纳米尺度微区热导率的超高分辨原位检测，包括：原子力显微镜热波激励模块，热波跳变控制模块，纳米尺度微区热导率原位检测模块，实现所述样品材料纳米尺度热波信号跳变的原位检测，根据所述热探针与所述样品材料的接触过程中所述热探针三倍频跳变信号ΔU_3ω与所述样品材料微区热导λ_s之间关系，定量表征所述样品材料纳米尺度微区热导λ_s的所述纳米尺度微区热导率。本申请为样品材料有关与热学相关的物理功能响应深入研究以及有关纳米器件的物性评价提供一种原理简单、测试直接的原位纳米表征技术。

技术领域

本申请涉及信号检测仪器领域，尤其是一种原子力显微镜用热波跳变控制激励的原位表征纳米尺度热导率的装置。

背景技术

热导率是样品材料的基本物理属性之一，在很多领域起着重要甚至决定性的作用。具有高热导率的样品材料常在散热方面用途广泛，而具有低热导率的样品材料则主要应用于隔热领域。目前样品材料宏观热导率的测试技术已相当成熟，但纳米尺度热导率的测量仍是当前研究的重点关注，尤其在纳米样品材料、二维样品材料和纳米功能器件等领域，迫切需要发展新的纳米热学表征方法，以推动其样品材料和器件的创新研发。

在原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)基础上发展起来的扫描热探针显微镜(Scanning Probe Microscopy,SPM) 已成为当前开展纳米科学与技术研究的重要手段之一。SPM技术不仅给纳米结构的超高分辨显微成像、纳米结构操纵以及纳米尺度物理性能原位表征等带来了革命性突破，同时它也是发展纳米表征新方法、新技术的重要平台。针对当前样品材料纳米热学表征的重要发展，急需一种基于AFM平台，并能够实现纳米尺度热学原位定量检测的方法和装置，并进而实现该方法和装置应用于样品材料微区热导性能的原位定量表征，以推动相关样品材料和器件的纳米尺度热输运关键科学问题的深入研究及其创新发展。

发明内容

应当理解，本公开以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本公开提供进一步的解释。

基于目前样品材料物理性能表征之迫切需求，本申请基于 AFM纳米平台发展了一种原子力显微镜用热波跳变控制激励的原位表征纳米尺度热导率的装置，以实现纳米尺度微区热导率超高分辨原位定量表征，为样品材料有关与热学相关的物理功能响应深入研究以及有关纳米器件的物性评价提供一种原理简单、测试直接的原位纳米表征技术。

本发明提供了一种原子力显微镜用热波跳变控制激励的原位表征纳米尺度热导率的装置，用于实现样品材料纳米尺度微区热导率的超高分辨原位检测，其特征在于，所述装置包括：

原子力显微镜热波激励模块，为所述原子力显微镜的热探针提供纳米级交变热波，通过所述热探针对所述样品材料的微区热波进行原位激励；

热波跳变控制模块，对所述热探针和所述样品材料的距离进行渐近控制，实现所述热探针和所述样品材料接触过程中交变热波信号的跳变；

纳米尺度微区热导率原位检测模块，实现所述样品材料纳米尺度热波信号跳变的原位检测，根据所述热探针与所述样品材料的接触过程中所述热探针三倍频跳变信号ΔU_3ω与所述样品材料微区热导λ_s之间关系，定量表征所述样品材料纳米尺度微区热导λ_s的所述纳米尺度微区热导率表达式为：

其中，ΔU_3ω为热探针接触被测样品材料前后三倍频跳变信号，λ_s为微区热导，C、D为常数，所述热探针加热频率ω在100 Hz～3kHz范围内。

比较好的是，本发明进一步提供了一种原子力显微镜用热波跳变控制激励的原位表征纳米尺度热导率的装置，其特征在于，所述热波跳变控制模块进一步包括：