一种材料微区电导和热电性质的测量装置、测量方法及其用途

摘要

本发明提供了一种材料微区电导和热电性质的测量装置，所述测量装置包括测试系统以及控制和信息处理系统，所述测试系统包括导电探针(1)、冷库(5)、导电基底(3)和控温样品台(4)，其中导电探针(1)与冷库(5)相连，导电基底(3)黏附于控温样品台(4)上；所述控制和信息处理系统包括第一继电器(6)和第二继电器(7)、电压前置放大器(8)、程控电流源表(9)、程控电压表(10)、原子力显微镜控制器(11)、主机(12)和原子力显微镜主机(13)。通过本发明所述的测量装置可以实现样品在微区内的电导测量，塞贝克系数测量，电导-热电势交替测量，以及热电势与样品形貌同步成像。

说明书

技术领域

本发明属于电导和热电性质测量领域，涉及一种材料微区电导和热电性质 的测量装置、测量方法及其用途，尤其涉及一种基于原子力显微技术的材料微 区电导和热电性质的测量装置、测量方法及其用途。

背景技术

热电效应可以将热能直接转换成电能或将电能直接转换成热能，减少了能 量转换的中间过程，热电材料在解决能源问题和环境问题上有很大的应用前景。 塞贝克系数表示热电材料在单位温差下产生的热电势的大小，可以表征热电材 料在能量转换方面的能力。对材料的热电性质测量主要是对其塞贝克系数的测 量，传统的塞贝克系数测量方法由于尺寸的限制，只能在宏观尺度(大于微米 量级)上测得材料的塞贝克系数，如专利CN103512914A公开了一种赛贝克系 数测量系统，包括测试样品平台、温差加热台，热端加热柱、冷端加热柱、热 端样品放置台、冷端样品放置台、信号采集和处理系统以及温度控制系统，其 实现了赛贝克系数的测量，但其仅仅能在宏观尺度对材料进行测量，无法对材 料微区的电导和热电势进行测量。

发明内容

针对现有技术中存在的无法对材料微区电导和热电势进行测量的问题，本 发明提供了一种基于原子力显微技术的材料微区电导和热电性质的测量装置、 测量方法及其用途。所述装置可以实现样品在微区内的电导测量，热电势测量 (即塞贝克系数测量)，电导-热电势交替测量，以及热电势与样品形貌同步成 像。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种材料微区的电导和热电性质的测量装置，所述测量装置包括测试系统 以及控制和信息处理系统，所述测试系统包括导电探针、冷库、导电基底和控 温样品台，其中导电探针与冷库相连，导电基底黏附于控温样品台上。

其中，控温样品台用于调节和控制导电基底的温度，从而控制待测样品的 温度；冷库由导热率高的材料制得，其用以维持导电探针的温度处于室温。

优选地，所述控制和信息处理系统包括第一继电器、第二继电器、电压前 置放大器、程控电流源表、程控电压表、原子力显微镜控制器、主机和原子力 显微镜主机，其中第一继电器的第一静触点和第二继电器的第一静触点同时与 程控电流源表相连，第一继电器的第二静触点和第二继电器的第二静触点同时 与电压前置放大器相连，程控电流源表与主机相连，电压前置放大器、程控电 压表与主机依次相连，电压前置放大器、原子力显微镜控制器与原子力显微镜 主机依次相连。

其中，主机控制继电器进行切换以实现电导和热电性质的测量，其同时对 数据进行采集和处理。

优选地，所述导电探针与冷库相连后与第一继电器的动触点相连。

优选地，所述导电基底与第二继电器的动触点相连。

优选地，所述导电探针为纯金属探针或镀金属探针。

优选地，所述导电基底为导电金属基底。

优选地，所述电压前置放大器为高输入阻抗直流电源前置放大器，其将样 品上下表面产生的局域热电势进行放大，以便进行后续处理。

其中，所述局域热电势是指：由于样品被样品台加热，处于高于室温的温 度，而导电探针处于室温。当导电探针与样品表面接触时，由于热传导的作 用，样品在针尖附近的区域将会形成局域温度梯度分布，即微区温度梯度。由 于热电现象的存在，该温度梯度会导致样品产生局域的热电势。

一种上述测量装置的测量方法，所述测量方法包括电导的测量和/或热电性 质的测量，例如电导的测量，热电性质的测量或电导和热电性质同时测量。

优选地，所述电导的测量包括以下步骤：将待测样品置于导电基底上，将 导电探针接触待测样品表面，主机控制第一继电器和第二继电器的第一静触点 处于闭合状态使导电探针和导电基底均与程控电流源表相连，主机控制程控电 流源表输出电压于导电探针和导电基底，并测量从导电探针和导电基底返回的 电流值，得到导电曲线。

其中，导电探针在原子力显微镜控制下与待测样品表面接触，与待测样品 下面的导电基底形成两个电极。在导电探针接触待测样品表面时，主机控制程 控电流源表输出电压于导电探针和导电基底，在导电探针与导电基底之间加一 定的偏压，同时测量通过探针和基底之间的电流，即可得到材料的微区电导。

优选地，所述热电性质的测量包括热电势的测量和/或样品形貌的成像，即 热电势的测量，样品形貌的成像，以及热电势和样品形貌的同步成像。

优选地，所述热电势的测量包括：将待测样品置于导电基底上，通过控温 样品台将待测样品加热到高于室温的温度，将导电探针接触待测样品表面，通 过冷库维持导电探针处于室温，在导电基底和导电探针之间形成电势差，主机 控制第一继电器和第二继电器的第二静触点处于闭合状态使导电探针和导电基 底同时与电压前置放大器相连，形成的电势差经电压前置放大器放大后由程控 电压表测量，并由主机进行处理，得到热电势。

其中，控温样品台将待测样品加热到高于室温的温度，冷库维持导电探针 处于室温，使导电探针附件产生一个微区的温度梯度，这个温度梯度将在导电 基底和导电探针之间形成电势差，即热电势。热电势通过电压前置放大器进行 放大，再由主机控制电压表进行采集，或通过原子力显微镜的控制器实现表面 形貌与热电势的同步成像。通过改变温度梯度，并测量这个热电势，即可得到 热电势与温度之间的线性关系，进而求得材料的塞贝克系数。

优选地，所述热电势的测量前后需分别测量电导，由于热电势的测量必须 保证导电探针与待测样品的上表面有良好的物理接触，而测得电导值得大小可 以作为判断探针与样品表面接触状态的量，故在测量热电势的前后都分别测量 电导，以保证所测得的热电势都是有效数据。

所述样品形貌的成像包括以下步骤：将待测样品置于导电基底上，通过控 温样品台将待测样品加热到高于室温的温度，将导电探针接触待测样品表面， 通过冷库维持导电探针处于室温，在导电基底和导电探针之间形成电势差，主 机控制第一继电器和第二继电器的第二静触点处于闭合状态使导电探针和导电 基底同时与电压前置放大器相连，形成的电势差经电压前置放大器放大后送入 原子力显微镜控制器，再通过原子力显微镜主机处理，得到样品形貌的成像。

优选地，所述样品形貌的成像前后需分别测量电导。

优选地，所述样品形貌的成像可与热电势的测量同步完成。热电势通过电 压前置放大器进行放大，再由计算机控制电压表进行采集，或通过原子力显微 镜的控制器将输出的热电势信号反馈到原子力显微镜中，即可得到热电势与样 品形貌的同步成像。

优选地，所述待测样品为晶体或非晶体薄膜样品。

优选地，所述待测样品为有机半导体晶体薄膜、有机自组装小分子薄膜或 无机二维薄膜材料中任意一种。

优选地，所述待测样品置于导电基底上是采用沉积的方式置于导电基底 上。

优选地，所述的测量装置应用于薄膜样品的垂直于薄膜表面方向的微区电 导和热电性质的测量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

基于原子力显微技术的微探针技术在材料微区性质表征方面如力学、电学 和磁学等各方面具有独特的优势。本发明结合微探针技术，可以在微区内(纳 米量级)测量材料的热电势(塞贝克系数)，表征材料的热电性质。本发明所 提供的测量装置可以实现样品在微区内的电导测量，塞贝克系数测量，电导-热 电势交替测量，以及热电势与样品形貌同步成像。

附图说明

图1是本发明所述的材料微区电导和微区热电性质的测量装置示意图；

图2是本发明所述测量装置测量材料电导得到的电压-电流曲线图；

图3是本发明所述测量装置测量热电势得到的热电势曲线图；

图4是本发明所述测量装置测得的热电势与样品形貌的同步成像图；

其中，1-导电探针，2-待测样品，3-导电基底，4-控温样品台，5-冷库，6- 第一继电器，7-第二继电器，8-电压前置放大器，9-程控电流源表，10-程控电 压表，11-原子力显微镜控制器，12-主机，13-原子力显微镜主机。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明的具体实施例采用如图1所示的测量装置对薄膜样品进行微区电导 和微区热电性质的测试。本领域技术人员应该明了，本发明并不限于实施例中 所列举的样品，根据本发明提供的测量装置、测量方法及其用途，本领域技术 人员可对晶体或非晶体薄膜样品的微区电导和热电性质进行测量。

实施例1：对薄膜样品的电导进行测量

如图1所述，将薄膜样品2沉积于导电金属基底3上，将导电金属基底3 黏附于控温样品台4，导电探针1在原子力显微镜控制器11控制下与薄膜样品 2表面接触，与薄膜样品2下面的导电金属基底3形成两个电极，主机12控制 第一继电器6和第二继电器7的第一静触点处于闭合状态使导电探针1和导电 金属基底3均与程控电流源表9相连，主机12控制程控电流源表9输出一系列 电压于导电探针1和导电金属基底3上，并测量从导电探针1和导电金属基底3 返回的电流值，得到导电曲线，测得结果如图2所示。

实施例2：对薄膜样品的热电势进行测量

将薄膜样品2沉积于导电金属基底3上，将导电金属基底3黏附于控温样 品台4，通过控温样品台4将待测样品2加热到高于室温的已知温度，导电探针 1在原子力显微镜控制器11控制下与薄膜样品2表面接触，与薄膜样品2下面 的导电金属基底3形成两个电极，通过导热率高的冷库5维持导电探针1处于 室温，在导电探针1附近将产生一个微区的温度梯度，这个温度梯度在导电金 属基底3和导电探针1之间形成电势差，主机12控制第一继电器6和第二继电 器7的第二静触点处于闭合状态使导电探针1和导电基底3同时与高输入阻抗 直流电压前置放大器8相连，形成的电势差经高输入阻抗直流电压前置放大器8 放大后由程控电压表10测量，并由主机12进行数据收集和处理，得到相同位 置不同加热温度下的热电势曲线图，如图3所示。

实施例3：薄膜样品的热电势与样品形貌的同步成像

将薄膜样品2沉积于导电金属基底3上，将导电金属基底3黏附于控温样 品台4，通过控温样品台4将待测样品2加热到高于室温的已知温度，导电探针 1在原子力显微镜控制器11控制下与薄膜样品2表面接触，与薄膜样品2下面 的导电金属基底3形成两个电极，通过导热率高的冷库5维持导电探针1处于 室温，在导电探针1附近将产生一个微区的温度梯度，这个温度梯度在导电金 属基底3和导电探针1之间形成电势差，主机12控制第一继电器6和第二继电 器7的第二静触点处于闭合状态使导电探针1和导电基底3同时与高输入阻抗 直流电压前置放大器8相连，形成的电势差经高输入阻抗直流电压前置放大器8 放大后由程控电压表10测量，并由主机12进行数据收集和处理；与此同时， 形成的电势差经高输入阻抗直流电压前置放大器8放大后送入原子力显微镜控 制器11，再通过原子力显微镜主机13进行数据的收集和处理，实现样品形貌和 热电势的同步成像，如图4所示。

综合上述实施例可以看出，本发明结合微探针技术，可以在微区内(纳米 量级)测量材料的热电势(塞贝克系数)，表征材料的热电性质。本发明所提 供的测量装置可以实现样品在微区内的电导测量，塞贝克系数测量，电导-热电 势交替测量，以及热电势与样品形貌同步成像。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明 并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实 施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品 各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保 护范围和公开范围之内。