本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種熱電檢測系統(tǒng)與熱電檢測方法。

背景技術(shù)：

隨著材料與器件的低維化和微型化，納米尺度上的電、熱輸運問題日益突出，對納米材料與器件的性能產(chǎn)生很大的影響，對其研究也已成為材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理以及微納器件等交叉領(lǐng)域的前沿?zé)狳c。半導(dǎo)體材料中的載流子在外電場以及溫度梯度的驅(qū)動下會發(fā)生定向移動，引起電、熱傳導(dǎo)之間的相互耦合，而這一遷移也會受到材料中的雜質(zhì)、缺陷、界面以及晶格振動的散射。這些因素互相競爭，使材料最終達到穩(wěn)態(tài)的非平衡狀態(tài)。在納米復(fù)合材料中，這一效應(yīng)最為明顯。

由于引入納米顆粒，短波聲子被強烈地散射，因此材料總的熱導(dǎo)率可以通過調(diào)節(jié)納米粒子的特征尺寸來實現(xiàn)。例如，在SiGe合金中引入Si納米顆粒，可使其熱導(dǎo)率大幅度降低。而對于低維納米材料與結(jié)構(gòu)，由于聲子處于受限狀態(tài)，其輸運機制也相當復(fù)雜，與納米結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、表面以及邊界密切有關(guān)。當前，在理論上，對于近平衡態(tài)的穩(wěn)態(tài)輸運現(xiàn)象，可以采用線性不可逆過程熱力學(xué)加以分析，并通過求解玻爾茲曼方程得到輸運系數(shù)。然而，為了深入研究低維材料與納米結(jié)構(gòu)的電、熱微觀輸運機理，我們必須從實驗上，特別是在納米尺度，對其輸運系數(shù)進行測量，從而準確把握材料雜質(zhì)、缺陷以及界面對輸運性質(zhì)的影響，并與理論計算進行比較。目前，還沒有可靠的實驗手段來實現(xiàn)這一目標。針對這一問題，本發(fā)明希望發(fā)展一種基于掃描探針的材料納米尺度熱電檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對電、熱輸運過程的有效調(diào)控，從而加深和促進人們對電、熱輸運微觀機理的理解，具有很重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于目前低維熱電物理性能表征困難、儀器需求迫切的前提，本發(fā)明提出了一種熱電檢測系統(tǒng)及熱電檢測方法，用于材料納米尺度熱電性能檢測。

一種熱電檢測系統(tǒng)，用于檢測材料納米尺度的熱電性能，，所述熱電檢測系統(tǒng)包括激光激勵模塊、掃描探針、樣品臺、檢測電路和控制器，所述樣品臺用于承載樣品，所述激光激勵模塊用于在激光激勵模式下發(fā)出激光加熱樣品，所述掃描探針用于對樣品的進行檢測，所述檢測電路用于偵測所述掃描探針的電信號變化以輸出檢測信號，所述控制器用于接收所述檢測電路輸出的檢測信號并基于所述檢測信號分析所述樣品的熱電性能。

在一種實施方式中，所述激光激勵模塊包括激光發(fā)生器、激光檢測器及激光調(diào)節(jié)器，所述激光發(fā)生器用于發(fā)出激光加熱樣品，所述激光檢測器用于檢測所述激光發(fā)生器發(fā)出的激光并輸出檢測信號，所述激光調(diào)節(jié)器用于基于所述激光檢測器輸出的檢測信號發(fā)出控制信號至所述激光發(fā)生器以調(diào)節(jié)所述激光發(fā)生器發(fā)出的激光。

在一種實施方式中，所述激光發(fā)生器的尺寸為100*40*40mm。

在一種實施方式中，所述激光發(fā)生器包括光源與光學(xué)截光器，所述光學(xué)截光器用于對所述光源進行開關(guān)或頻率調(diào)制。

在一種實施方式中，所述控制器包括鎖相放大器，所述鎖相放大器用于對所述檢測電路輸出的檢測信號進行采集，并配合所述光學(xué)截光器的開關(guān)對樣品進行基于時間尺度的瞬態(tài)表征。

在一種實施方式中，所述鎖相放大器為雙頻鎖相放大器，所述雙頻鎖相放大器用于對所述檢測信號進行一倍頻與三倍頻的測量而獲取一倍頻的檢測信號與三倍頻的檢測信號供后續(xù)分析，其中所述三倍頻的檢測信號體現(xiàn)樣品的熱導(dǎo)率。

在一種實施方式中，所述控制器還包括傳感器、信號處理模塊及高速多路數(shù)據(jù)采集模塊，所述傳感器用于將所述鎖相放大器輸出的檢測信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換信號，所述信號處理模塊用于對所述轉(zhuǎn)換信號進行去噪、放大、濾波處理以將所述轉(zhuǎn)換信號轉(zhuǎn)變?yōu)樗龈咚俣嗦窋?shù)據(jù)采集模塊能夠識別的標準信號，所述高速多路數(shù)據(jù)采集模塊用于將所述標準信號記錄在計算機系統(tǒng)中。

在一種實施方式中，所述激光激勵模塊從樣品遠離所述樣品臺的一側(cè)發(fā)出激光對樣品進行加熱，所述激光激勵模塊的功率在0.1mW到10mW的范圍內(nèi)，所述激光激勵模塊的發(fā)生頻率在5kHz以內(nèi)的范圍內(nèi)，所述激光波長為360nm-800nm。

在一種實施方式中，所述激光激勵模塊從樣品臺遠離所述樣品的一側(cè)發(fā)出激光，所述激光經(jīng)由貫穿所述樣品臺的通孔照射到所述樣品上對樣品進行加熱，所述激光激勵模塊的功率為250mW，所述激光激勵模塊的發(fā)生頻率在5kHz以內(nèi)的范圍內(nèi)，所述激光波長為360nm-800nm。。

在一種實施方式中，所述檢測電路包括惠斯通電橋與放大器，所述惠斯通電橋包括第一電阻器、第二電阻器及第三電阻器，所述第一電阻器為可變電阻器，所述第一電阻器的一端連接所述掃描探針的一端，所述第一電阻器的一端與所述掃描探針的一端之間具有第一節(jié)點，所述第一節(jié)點接地，所述掃描探針的另一端連接所述第二電阻器的一端，所述掃描探針的另一端與所述第二電阻器的一端具有第二節(jié)點，所述第二節(jié)點連接所述放大器的第一輸入端，所述第一電阻器的另一端連接所述第三電阻器的一端，所述第一電阻器的另一端與所述第三電阻器的一端具有第三節(jié)點，所述第三節(jié)點連接所述放大器的第二輸入端，所述第三電阻器的另一端連接所述第二電阻器的另一端，所述第三電阻器的另一端與所述第二電阻器的另一端之間具有第四節(jié)點，所述第四節(jié)點與所述放大器的輸出端分別連接所述控制器。

在一種實施方式中，所述第二節(jié)點與第三節(jié)點之間還用于連接測量裝置，用于通過所述第二節(jié)點與第三節(jié)點之間的電壓變化獲知所述掃描探針上的電信號變化而獲知樣品的熱電性能。

在一種實施方式中，所述掃描探針還用于在探針激勵模式下對樣品進行加熱與檢測，所述檢測電路用于偵測所述掃描探針的電信號變化獲得檢測信號，所述控制器基于所述檢測電路輸出的檢測信號分析樣品的熱電性能。

在一種實施方式中，所述熱電檢測系統(tǒng)還包括探針激勵模塊，所述控制器控制所述探針激勵模塊在探針激勵模式下向所述掃描探針施加一倍頻的交流電激勵信號以使所述掃描探針對樣品進行加熱。

在一種實施方式中，所述熱電檢測系統(tǒng)還包括第一熱電偶與第二熱電偶，所述第一熱電偶設(shè)置于所述樣品臺上并靠近所述樣品的一端，所述第二熱電偶設(shè)置于所述掃描探針上用于經(jīng)由所述掃描探針接觸所述樣品，所述第一熱電偶與所述第二熱電偶共同監(jiān)測所述樣品的溫度。

一種熱電檢測方法，其包括如下步驟：

提供激光對樣品進行加熱；

利用掃描探針對樣品進行檢測；

偵測所述掃描探針的電信號變化獲得檢測信號；及

基于所述檢測信號分析所述樣品的熱電性能。

在一種實施方式中，所述熱電檢測方法還包括以下步驟：檢測所述激光并依據(jù)檢測結(jié)果對施加到樣品上的激光進行調(diào)節(jié)。

在一種實施方式中，所述熱電檢測方法還包括以下步驟：提供光學(xué)截光器用于對發(fā)出所述激光的光源進行開關(guān)或頻率調(diào)制。

在一種實施方式中，所述基于所述檢測信號分析所述樣品的熱電性能的步驟還包括：提供鎖相放大器對所述檢測電路輸出的檢測信號進行采集，并配合所述光學(xué)截光器的開關(guān)對樣品進行基于時間尺度的瞬態(tài)表征的步驟。

在一種實施方式中，所述基于所述檢測信號分析所述樣品的熱電性能的步驟還包括：利用雙頻鎖相放大器用于對所述檢測信號進行一倍頻與三倍頻的測量而獲取一倍頻的檢測信號與三倍頻的檢測信號供后續(xù)分析，其中所述三倍頻的檢測信號體現(xiàn)樣品的熱導(dǎo)率。

在一種實施方式中，所述基于所述檢測信號分析所述樣品的熱電性能的步驟還包括：對所述鎖相放大器采集的檢測信號進行轉(zhuǎn)換、去噪、放大、濾波處理后并轉(zhuǎn)變?yōu)闃藴市盘?，以及將所述標準信號記錄在計算機系統(tǒng)中的步驟。

在一種實施方式中，提供激光對樣品進行加熱的步驟包括：在樣品遠離所述樣品臺的一側(cè)設(shè)置激光激勵模塊，所述激光激勵模塊發(fā)出激光對樣品進行加熱，其中所述激光激勵模塊的功率在0.1mW到10mW的范圍內(nèi)，所述激光激勵模塊的發(fā)生頻率在5kHz以內(nèi)的范圍內(nèi)，所述激光波長為360nm-800nm。

在一種實施方式中，提供激光對樣品進行加熱的步驟包括：在樣品臺遠離所述樣品的一側(cè)設(shè)置激光激勵模塊，所述激光激勵模塊發(fā)出激光，所述激光經(jīng)由貫穿所述樣品臺的通孔照射到樣品上對樣品進行加熱，所述激光激勵模塊的功率為250mW，所述激光激勵模塊的發(fā)生頻率在5kHz以內(nèi)的范圍內(nèi)，所述激光波長為360nm-800nm。

在一種實施方式中，所述偵測所述掃描探針的電信號變化獲得檢測信號的步驟包括：通過電連接所述掃描探針的惠斯通電橋偵測所述掃描探針的電信號變化并獲取對應(yīng)的檢測信號的步驟。

在一種實施方式中，所述熱電檢測方法還包括：在探針激勵模式下，向所述掃描探針施加一倍頻的交流電激勵信號以使所述掃描探針對樣品進行加熱的步驟。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的用于材料納米尺度的熱電檢測系統(tǒng)用激光加熱的激勵模式，只需直接加熱即可直接檢測材料納米尺度熱電性能。該技術(shù)拓展了現(xiàn)有掃描探針系統(tǒng)所不具備的材料納米尺度熱電性能表征與評價的物性功能，為有關(guān)的掃描探針技術(shù)的深入發(fā)展以及低維熱電材料相關(guān)納米尺度物性研究提供了重要的表征新方法。此外，本發(fā)明熱電檢測系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)簡單、兼容性強，適與不同商用掃描探針系統(tǒng)相結(jié)合，是一項易于推廣和應(yīng)用的新技術(shù)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施方式，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明一較佳實施方式的熱電檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1所示熱電檢測系統(tǒng)一種變更實施方式的熱電檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是是圖1所示熱電檢測系統(tǒng)的激光激勵模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明熱電檢測方法的流程圖。

圖5是施加于圖1所示掃描探針的加熱電壓與掃描探針的電阻器的關(guān)系曲線圖。

圖6是圖1所示掃描探針的溫度與電阻器關(guān)系曲線圖。

主要元件符號說明

熱電檢測系統(tǒng) 100

掃描探針 110

針尖 111

第一連接臂 112

第二連接臂 113

樣品臺 120

通孔 121

第一熱電偶 126

第二熱電偶 118

檢測電路 130

控制器 140

惠斯通電橋 150

第一電阻器 151

第二電阻器 152

第三電阻器 153

第一節(jié)點 154

第二節(jié)點 155

第三節(jié)點 156

第四節(jié)點 157

放大器 160

第一輸入端 161

第二輸入端 162

輸出端 163

激光激勵模塊 180

激光發(fā)生器 181

激光檢測器 182

激光調(diào)節(jié)器 183

光源 184

光學(xué)截光器 185

樣品 200

步驟 S1、S2

如下具體實施方式將結(jié)合上述附圖進一步說明本發(fā)明。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施方式中的附圖，對本發(fā)明實施方式中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施方式僅僅是本發(fā)明一部分實施方式，而不是全部的實施方式。基于本發(fā)明中的實施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

需要說明的是，在本發(fā)明實施方式中使用的術(shù)語是僅僅出于描述特定實施方式的目的，而非旨在限制本發(fā)明。在本發(fā)明實施方式和所附權(quán)利要求書中所使用的單數(shù)形式的“一種”、“所述”和“該”也旨在包括多數(shù)形式，除非上下文清楚地表示其他含義。還應(yīng)當理解，本文中使用的術(shù)語“和/或”是指并包含一個或多個相關(guān)聯(lián)的列出項目的任何或所有可能組合。另外，本發(fā)明的說明書和權(quán)利要求書及上述附圖中的術(shù)語“第一”、“第二”等是用于區(qū)別不同對象，而不是用于描述特定順序。此外，術(shù)語“包括”和“具有”以及它們?nèi)魏巫冃?，意圖在于覆蓋不排他的包含。例如包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統(tǒng)、產(chǎn)品或設(shè)備沒有限定于已列出的步驟或單元，而是可選地還包括沒有列出的步驟或單元，或可選地還包括對于這些過程、方法、產(chǎn)品或設(shè)備固有的其它步驟或單元。

請參閱圖1，圖1是本發(fā)明一較佳實施方式的熱電檢測系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)示意圖。所述熱電檢測系統(tǒng)100用于檢測材料納米尺度的熱電性能，其包括掃描探針110、樣品臺120、檢測電路130、控制器140及激光激勵模塊180。所述樣品臺120用于承載樣品200。所述掃描探針110用于在探針激勵模式接觸樣品200以對樣品200進行加熱以及進一步在所述探針激勵模式對樣品200的進行檢測，所述檢測電路130用于電連接所述掃描探針110以偵測所述掃描探針110在所述探針激勵模式下因樣品200溫度變化引起的電信號變化以輸出第一檢測信號，所述控制器140用于接收所述檢測電路130輸出的第一檢測信號并基于所述第一檢測信號分析所述樣品200的熱電性能。所述激光激勵模塊180用于在激光激勵模式下發(fā)出激光加熱樣品200，所述掃描探針110用于在激光激勵模式下對樣品200的進行檢測，所述檢測電路130用于電連接所述掃描探針110以偵測所述掃描探針110的電信號變化以輸出第二檢測信號，所述控制器140用于接收所述檢測電路130輸出的第二檢測信號并基于所述第二檢測信號分析所述樣品200的熱電性能。

具體地，如圖1所示，所述激光激勵模塊180可以設(shè)置在所述樣品200遠離所述樣品臺120的一側(cè)，從而從所述樣品200遠離所述樣品臺120的一側(cè)發(fā)出激光對樣品200進行加熱。優(yōu)選地，所述激光激勵模塊180的功率在0.1mW到10mW的范圍內(nèi)，所述激光激勵模塊180的發(fā)生頻率在5kHz以內(nèi)的范圍內(nèi)，所述激光激勵模塊180發(fā)出的激光波長為360nm-800nm。

如圖2所示，在圖1的一種變更實施方式中，所述激光激勵模塊180可以設(shè)置在所述樣品臺120遠離所述樣品200的一側(cè)，從而從所述樣品臺120遠離所述樣品200的一側(cè)發(fā)出激光，所述激光經(jīng)由貫穿所述樣品臺120的通孔121對樣品200進行加熱。此時，所述激光激勵模塊的功率為250mW，所述激光激勵模塊的發(fā)生頻率在5kHz以內(nèi)的范圍內(nèi)，所述激光波長為360nm-800nm。

請參閱圖3，圖3是所述激光激勵模塊180的結(jié)構(gòu)示意圖。所述激光激勵模塊180包括激光發(fā)生器181、激光檢測器182及激光調(diào)節(jié)器183，所述激光發(fā)生器181用于發(fā)出激光加熱樣品，所述激光檢測器182用于檢測所述激光發(fā)生器181發(fā)出的激光并輸出檢測信號，所述激光調(diào)節(jié)器183用于基于所述激光檢測器182輸出的檢測信號發(fā)出控制信號至所述激光發(fā)生器181以調(diào)節(jié)所述激光發(fā)生器181發(fā)出的激光。優(yōu)選地，所述激光發(fā)生器181的尺寸為100mm*40mm*40mm。所述激光發(fā)生器181可以包括光源184與光學(xué)截光器185，所述光學(xué)截光器185用于對所述光源184進行開關(guān)或頻率調(diào)制。

所述控制器140可以包括鎖相放大器，所述鎖相放大器用于對所述檢測電路130輸出的檢測信號進行采集，并配合所述光學(xué)截光器185的開關(guān)對樣品200進行基于時間尺度的瞬態(tài)表征?？梢岳斫?，所述控制器140還可以控制所述激光激勵模塊180的激光發(fā)射時序以及控制調(diào)節(jié)所述激光激勵模塊180的激光。

進一步地，對所述掃描探針110可以采用1ω(一倍頻通道)的交流的加熱電壓進行交流電激勵，具體可以通過3ω(三倍頻通道)對所述樣品200的熱導(dǎo)率進行定量的測量分析。具體地，所述熱電檢測系統(tǒng)100還可以包括激勵模塊，所述控制器140可以控制所述激勵模塊對所述掃描探針110可以施加1ω頻率的交流電信號作為加熱電壓。同時，在一種實施方式中，所述控制器140還可以包括雙頻鎖相放大器，所述雙頻鎖相放大器對檢測電路130輸出檢測信號進行1ω和3ω兩個頻率的信號進行測量，其中1ω的檢測信號體現(xiàn)的是測量電壓，3ω的檢測信號體現(xiàn)所述樣品200材料的局部熱導(dǎo)率。當然，可以理解，所述雙頻鎖相放大器也可以放在所述控制器140外部，如連接于所述檢測電路130與所述控制器140之間。

所述控制器140用于基于所述檢測信號分析所述樣品200的熱電性能，其可以與計算機系統(tǒng)相連，以通過所述計算機系統(tǒng)進行輔助運算與結(jié)果呈現(xiàn)，經(jīng)分析所述檢測信號后可獲知所述樣品200的熱電性能成像圖。具體地，所述控制器140可以在獲得局部和全局響應(yīng)的時域信號后，經(jīng)過對信號進行預(yù)處理、解調(diào)、快速傅立葉變換等信號處理流程，得到含有基波、二次諧波、三次諧波等頻率成分的局域和全局響應(yīng)頻譜、以及特定頻率局部響應(yīng)的空間分布。

本實施方式中，所述控制器140可以為原子力顯微鏡控制器(AFM Controller)，其可以包括傳感器、信號處理模塊及高速多路數(shù)據(jù)采集模塊。所述傳感器用于將所述檢測信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換信號，所述信號處理模塊用于對所述轉(zhuǎn)換信號進行去噪、放大、濾波處理以將所述轉(zhuǎn)換信號轉(zhuǎn)變?yōu)樗龈咚俣嗦窋?shù)據(jù)采集模塊能夠識別的標準信號，所述高速多路數(shù)據(jù)采集模塊用于將所述標準信號記錄在計算機系統(tǒng)中。具體地，所述控制器140的主要性能參數(shù)可以設(shè)置如下：有效采樣率：400MS/S；平均噪音密度：148dbm/HZ；數(shù)據(jù)輸出通道：4通道。

當然，可以理解，所述控制器140還可以進一步用于控制所述熱檢測系統(tǒng)100工作所需的一些信號的輸入、輸出及相關(guān)時序、以及控制不同模式的切換等，而并不限于上述分析所述樣品的熱電性能，如控制向所述掃描探針110施加加熱電壓、以及控制探針激勵模式與非探針激勵模式的切換等，此處對所述控制器140其他功能就不再進行贅述。另外，所述控制器140中具體模塊與熱電性能分析原理也不限于上述描述，如可以采用其他分析方式基于所述檢測信號獲知所述樣品的熱電性能。

更進一步地，本實施方式中，所述熱電檢測系統(tǒng)100還可以包括第一熱電偶126與第二熱電偶118，所述第一熱電偶126設(shè)置于所述樣品臺120的上部且靠近所述樣品200的一端，所述第二熱電偶118設(shè)置在所述掃描探針110上用于接觸所述樣品200的表面以監(jiān)測所述樣品200的表面溫度。其中，所述第一熱電偶126為位于所述樣品臺120上的內(nèi)置熱電偶，所述第二熱電偶118為設(shè)置在所述掃描探針110上的外置柔性熱電偶。通過所述第一熱電偶126與第二熱電偶118可以準確定位所述樣品200表面的溫度范圍。具體地，所述第一熱電偶126可以定位所述樣品200鄰近所述加熱器件122一側(cè)的溫度，從而獲知所述加熱器件122對所述樣品200的加熱溫度。所述掃描探針110在所述樣品200表面依次滑動，進而所述第二熱電偶118在所述掃描探針110的帶動下可以依次監(jiān)測所述樣品200表面的溫度，從而獲知在激勵加熱狀態(tài)下所述樣品200表面不同位置的溫度，最終通過分析獲知所述樣品200的熱電性能。

所述掃描探針110為熱敏性電阻器探針，當給所述掃描熱探針110的兩端施加加熱電壓時，所述掃描探針110的溫度會隨著電壓的變化而變化，且所述掃描探針110的電阻器也隨著溫度的變化而變化。具體地，所述掃描探針110可以包括針尖111、第一連接臂112與第二連接臂113，所述第一連接臂112與所述第二連接臂113相連接且大致排列成V形，所述針尖111大致垂直連接于所述V形的頂點。其中所述針尖111用于與所述樣品200接觸，以與所述樣品200進行熱交換。

所述掃描探針110的兩端(如第一連接臂112與第二連接臂113)還用于與所述檢測電路130電連接，以向所述檢測電路130提供檢測信號。具體地，如探針激勵模式下，所述控制器140可以控制向所述掃描探針110被施加所述加熱電壓，并隨著加熱電壓的施加而升溫，所述針尖111與所述樣品200進行熱交換以將熱激勵傳遞給所述樣品200。進一步地，由于所述針尖111傳遞的熱激勵，所述樣品200的表面溫度發(fā)生變化，所述樣品200因與所述針尖111發(fā)生熱交換而使得所述掃描探針110的電阻器發(fā)生變化，從而引起所述掃描探針110兩端上的電信號(如電壓或電流)發(fā)生變化，所述掃描探針110兩端的電信號被所述檢測電路130偵測到并進一步傳輸至所述控制器140。

具體地，對所述掃描探針110的加熱可以通過焦耳加熱原理，進行快速加熱，并實現(xiàn)微區(qū)熱調(diào)控，其中對于微區(qū)局域溫度，可通過所述掃描探針110的電阻器隨溫度變化的特性進行標定和實時監(jiān)測。當所述掃描探針110的針尖111溫度發(fā)生微弱變化時，會引起所述掃描探針110的電阻器變化，從而被所述檢測電路130偵測到，進而實現(xiàn)微區(qū)溫度的精確測量。

可以理解，在所述探針激勵模式下，所述掃描探針110同時作為加熱元件(或者說熱激勵元件)與檢測元件，并且也可以在加熱的同時，對所述樣品200進行電信號的測量，具體地，在工作過程中，當給所述掃描熱探針110施加加熱電壓時，所述掃描探針110會隨著所述加熱電壓施加而升溫，通過所述針尖111將熱激勵傳遞給所述樣品200，進一步檢測所述掃描探針110上的電信號變化，從而實現(xiàn)所述樣品200熱電材料物性檢測。

在非探針激勵模式(如激光激勵模式)下，通過所述激光激勵模塊180對所述樣品200進行加熱時，所述掃描探針110可以僅作為檢測元件使用，即所述激光激勵模塊180對所述樣品200進行熱激勵，然后通過所述樣品200與所述掃描探針110熱交換導(dǎo)致所述掃描探針110的電阻器發(fā)生變化，引起電信號變化，從而實現(xiàn)所述樣品的熱電材料納米尺度熱電性能的表征。

所述檢測電路130包括惠斯通電橋150與放大器160。所述惠斯通電橋150包括第一電阻器151、第二電阻器152及第三電阻器153。所述第一電阻器151為可變電阻器，所述第一電阻器151的一端連接所述掃描探針110的一端(如第一連接臂112)，所述第一電阻器151的一端與所述掃描探針110的一端之間具有第一節(jié)點154，所述第一節(jié)點154接地，所述掃描探針110的另一端(如第二連接臂113)連接所述第二電阻器152的一端，所述掃描探針110的另一端與所述第二電阻器152的一端具有第二節(jié)點155，所述第二節(jié)點155連接所述放大器160的第一輸入端161，所述第一電阻器151的另一端連接所述第三電阻器153的一端，所述第一電阻器151的另一端與所述第三電阻器153的一端具有第三節(jié)點156，所述第三節(jié)點156連接所述放大器160的第二輸入端162，所述第三電阻器153的另一端連接所述第二電阻器152的另一端，所述第三電阻器153的另一端與所述第二電阻器152的另一端之間具有第四節(jié)點157，所述第四節(jié)點157與所述放大器160的輸出端163分別連接所述控制器140?？梢岳斫?，所述第二節(jié)點155與第三節(jié)點156之間可以連接有測量裝置，用于通過所述第二節(jié)點155與第三節(jié)點160之間的電壓變化獲知所述掃描探針110上的電信號變化而獲知樣品200的熱電性能。

本實施方式中，所述第一電阻器151可以為可變電阻器，所述第二電阻器152與所述第三電阻器153均為固定電阻，且二者阻值可以相等，如為1千歐的固定電阻。

可以理解，所述第一電阻器151、第二電阻器152、第三電阻器153、掃描探針110和所述樣品200組成一個惠斯通電橋回路，當所述樣品200的表面溫度發(fā)生變化時，導(dǎo)致所述掃描探針110的電阻發(fā)生變化，從而引起所述惠斯通電橋回路的平衡發(fā)生變化，從所述檢測電路130輸出至所述控制器140的檢測信號發(fā)生變化，利用溫度與所述檢測信號之間的變化關(guān)系，即可獲知所述樣品200的材料納米尺度的熱電性能結(jié)果。

請參閱圖4，圖4本發(fā)明熱電檢測方法的流程圖。所述熱電檢測方法可以采用上述熱電檢測系統(tǒng)400。所述熱電檢測方法包括步驟S1、S2、S3、S4。

步驟S1：提供激光對樣品200進行加熱。

步驟S2：利用掃描探針110對樣品200進行檢測。

步驟S3：偵測所述掃描探針110的電信號變化獲得第一檢測信號；及

步驟S4：基于所述第一檢測信號分析所述樣品200的熱電性能。

更進一步地，所述熱電檢測方法還包括：在探針激勵模式下，在控制器140的控制下，向所述掃描探針110施加一倍頻的交流電激勵信號以使所述掃描探針110對樣品200進行加熱的步驟。

具體地，在一種實施方式中，步驟S1包括：從樣品200遠離所述樣品臺126的一側(cè)設(shè)置的激光激勵模塊180發(fā)出激光對樣品200進行加熱的步驟，其中所述激光激勵模塊180的功率在0.1mW到10mW的范圍內(nèi)，所述激光激勵模塊180的發(fā)生頻率在5kHz以內(nèi)的范圍內(nèi)，所述激光波長為360nm-800nm。

在一種實施方式中，步驟S1包括：從樣品臺遠離所述樣品的一側(cè)的激光激勵模塊發(fā)出激光并經(jīng)由所述樣品臺對樣品進行加熱的步驟，所述激光激勵模塊的功率為250mW，所述激光激勵模塊的發(fā)生頻率在5kHz以內(nèi)的范圍內(nèi)，所述激光波長為360nm-800nm。

進一步地，步驟S1還包括：利用所述激光激勵模塊180檢測所述激光并依據(jù)檢測結(jié)果對施加到樣品200上的激光進行調(diào)節(jié)的步驟。更進一步地，步驟S1還包括：提供光學(xué)截光器185用于對發(fā)出所述激光的光源184進行開關(guān)或頻率調(diào)制的步驟。

步驟S3中，通過電連接所述掃描探針110的惠斯通電橋150及放大器160偵測所述掃描探針的電信號變化并獲取對應(yīng)的檢測信號。

步驟S4可以包括：提供鎖相放大器對所述檢測電路130輸出的檢測信號進行采集，并配合所述光學(xué)截光器185的開關(guān)對樣品200進行基于時間尺度的瞬態(tài)表征的步驟。更進一步地，所述鎖相放大器可以為雙頻鎖相放大器，步驟S4還包括，利用雙頻鎖相放大器用于對所述第一及第二檢測信號進行一倍頻與三倍頻的測量而獲取一倍頻的第一及第二檢測信號與三倍頻的第一及第二檢測信號供后續(xù)分析的步驟，其中所述三倍頻的第一及第二檢測信號體現(xiàn)樣品的熱導(dǎo)率。

更進一步地，步驟S4還包括：對所述鎖相放大器采集的檢測信號進行轉(zhuǎn)換、去噪、放大、濾波處理后并轉(zhuǎn)變?yōu)闃藴市盘?，以及將所述標準信號記錄在計算機系統(tǒng)中的步驟。

請參閱圖5與圖6，圖5為所述加熱電壓與所述掃描探針110的電阻的關(guān)系曲線圖。圖6為所述掃描探針110的溫度與所述掃描探針110的電阻的關(guān)系曲線圖。從圖5可以看出，隨著所述掃描探針110的加熱電壓的增加，所述掃描探針110的電阻增加，結(jié)合圖6，即可獲知所述加熱電壓與所述掃描探針110的溫度之間的關(guān)系。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的用于材料納米尺度的熱電檢測系統(tǒng)使用激光加熱的激勵模式，只需直接加熱即可直接檢測材料納米尺度熱電性能。該技術(shù)拓展了現(xiàn)有掃描探針系統(tǒng)所不具備的材料納米尺度熱電性能表征與評價的物性功能，為有關(guān)的掃描探針技術(shù)的深入發(fā)展以及低維熱電材料相關(guān)納米尺度物性研究提供了重要的表征新方法。此外，本發(fā)明熱電檢測系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)簡單、兼容性強，適與不同商用掃描探針系統(tǒng)相結(jié)合，是一項易于推廣和應(yīng)用的新技術(shù)。

更進一步地，本發(fā)明的用于材料納米尺度的熱電檢測系統(tǒng)100熱電檢測方法，采用探針加熱、激光激勵加熱的兩種激勵模式，可以供使用者依據(jù)實際需要選擇合適的激勵模式，達到準確檢測樣品的熱電性能的目的。

上述提供了對較佳實例的描述，以使本領(lǐng)域內(nèi)的科研技術(shù)人員可使用和利用本發(fā)明。對這些實例的各種參數(shù)修改對其科研工作是簡單方便的。因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。