[发明专利]一种基于扫描热学显微镜原位表征纳米热电塞贝克系数的装置

说明书

技术领域

本申请涉及一种基于扫描热学显微镜原位表征纳米热电塞贝克系数的装置，属于信号检测仪器领域。

背景技术

基于热能与电能相互转换效应的热电材料已成为当前一种重要的战略性新能源材料。发展高性能、高热电转换效率的热电材料现已成为当前热电研究领域的一个重要发展方向。纳米热电材料因具有强烈的尺寸效应和界面效应从而可大幅度降低材料热导率、提高热电转换效率而成为当今国际热电界最为活跃、最有希望取得突破的研究领域。当前，由于纳米热电材料结构特殊性、性能特异性和传统热电测试方法失效性，导致纳米热电材料微区物理性能原位定量表征迄今缺失，制约了纳米热电输运理论的发展和纳米热电材料制备科学的发展。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，该宏观测试技术难以实现纳米热电塞贝克系数的原位定量表征。针对该局限性，本申请希望发展一种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、动态表征方法，以满足纳米热电材料物理性能表征之急需。

发明内容

基于目前纳米热电物理性能表征之迫切需求，本申请在自行建立的三倍频双探针扫描热学显微术基础上进一步提出了一种基于扫描热学显微术纳米平台表征热电材料纳米塞贝克系数的新方法，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，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扫描热学显微镜的纳米热电塞贝克系数原位定量表征方法和装置，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，所述表征方法原理基于热电探针与纳米热电材料在外场下的互作用物理功能响应所激发的一倍频、二倍频、三倍频等多个谐波信号，从而实现微区塞贝克系数（S）原位定量表征，微区塞贝克系数（S）可表示为所述装置进一步包括：一谐波信号原位激发的扫描热学显微镜平台，用于原位同时激发纳米热电塞贝克系数原位定量表征所需的探针一倍频谐波信号、探针三倍频谐波信号以及材料微区二倍频谐波信号；一纳米热电塞贝克系数原位检测平台，用于实现所述的一倍频谐波信号、二倍频谐波、三倍频谐波信号的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，所述谐波信号原位激发的扫描热学显微镜平台进一步包括：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，一一倍频谐波信号输出端口，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；所述热探针一倍频谐波信号源于所述热检测探针二端信号；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，所述扫描热学显微镜平台的工作模式为三倍频双探针工作模式。

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，其工作模式为接触模式。

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，一数据处理和显示模块等，用于实现微弱一倍频谐波信号、二倍频谐波信号和三倍频谐波电压信号的原位实时检测、处理以及显示微区塞贝克系数热电参量的原位表征结果。