热电检测系统与热电检测方法技术方案

本发明专利技术提供一种热电检测系统与热电检测方法。所述热电检测系统用于检测材料纳米尺度的热电性能，所述热电检测系统包括激光激励模块、扫描探针、样品台、检测电路及控制器，所述样品台用于承载样品，所述激光激励模块用于在激光激励模式下发出激光加热样品，所述扫描探针用于对样品进行检测，所述检测电路用于侦测所述扫描探针的电信号变化以输出检测信号，所述控制器用于对信号的输出与输入等进行控制及接收所述检测电路输出的检测信号并基于所述检测信号分析所述样品的热电性能。

Thermoelectric detection system and thermoelectric detection method

The present invention provides a thermoelectric detection system and a thermoelectric detection method. The detection system for detecting the thermoelectric properties of thermoelectric materials in nano scale, the thermoelectric detecting system comprises a laser excitation module, scanning probe, sample stage, detection circuit and the controller, the sample table for carrying samples, the laser excitation module is used for sending laser heating of the sample in the laser excitation mode, the scanning probe for the detection of the samples, the detection circuit is used for detecting the signal changes of the probe to scan the output signal, the controller is used for signal input and output of control and detection circuit receives the output signal detection and signal analysis of the thermoelectric properties of the samples based on the.

【技术实现步骤摘要】
热电检测系统与热电检测方法
本专利技术涉及电子
，尤其涉及一种热电检测系统与热电检测方法。
技术介绍
随着材料与器件的低维化和微型化，纳米尺度上的电、热输运问题日益突出，对纳米材料与器件的性能产生很大的影响，对其研究也已成为材料科学、凝聚态物理以及微纳器件等交叉领域的前沿热点。半导体材料中的载流子在外电场以及温度梯度的驱动下会发生定向移动，引起电、热传导之间的相互耦合，而这一迁移也会受到材料中的杂质、缺陷、界面以及晶格振动的散射。这些因素互相竞争，使材料最终达到稳态的非平衡状态。在纳米复合材料中，这一效应最为明显。由于引入纳米颗粒，短波声子被强烈地散射，因此材料总的热导率可以通过调节纳米粒子的特征尺寸来实现。例如，在SiGe合金中引入Si纳米颗粒，可使其热导率大幅度降低。而对于低维纳米材料与结构，由于声子处于受限状态，其输运机制也相当复杂，与纳米结构的形状、尺寸、表面以及边界密切有关。当前，在理论上，对于近平衡态的稳态输运现象，可以采用线性不可逆过程热力学加以分析，并通过求解玻尔兹曼方程得到输运系数。然而，为了深入研究低维材料与纳米结构的电、热微观输运机理，我们必须从实验上，特别是在纳米尺度，对其输运系数进行测量，从而准确把握材料杂质、缺陷以及界面对输运性质的影响，并与理论计算进行比较。目前，还没有可靠的实验手段来实现这一目标。针对这一问题，本专利技术希望发展一种基于扫描探针的材料纳米尺度热电检测系统，实现对电、热输运过程的有效调控，从而加深和促进人们对电、热输运微观机理的理解，具有很重要的意义。
技术实现思路
基于目前低维热电物理性能表征困难、仪器需求迫切的前提，本专利技术提出了一种热电检测系统及热电检测方法，用于材料纳米尺度热电性能检测。一种热电检测系统，用于检测材料纳米尺度的热电性能，，所述热电检测系统包括激光激励模块、扫描探针、样品台、检测电路和控制器，所述样品台用于承载样品，所述激光激励模块用于在激光激励模式下发出激光加热样品，所述扫描探针用于对样品的进行检测，所述检测电路用于侦测所述扫描探针的电信号变化以输出检测信号，所述控制器用于接收所述检测电路输出的检测信号并基于所述检测信号分析所述样品的热电性能。在一种实施方式中，所述激光激励模块包括激光发生器、激光检测器及激光调节器，所述激光发生器用于发出激光加热样品，所述激光检测器用于检测所述激光发生器发出的激光并输出检测信号，所述激光调节器用于基于所述激光检测器输出的检测信号发出控制信号至所述激光发生器以调节所述激光发生器发出的激光。在一种实施方式中，所述激光发生器的尺寸为100*40*40mm。在一种实施方式中，所述激光发生器包括光源与光学截光器，所述光学截光器用于对所述光源进行开关或频率调制。在一种实施方式中，所述控制器包括锁相放大器，所述锁相放大器用于对所述检测电路输出的检测信号进行采集，并配合所述光学截光器的开关对样品进行基于时间尺度的瞬态表征。在一种实施方式中，所述锁相放大器为双频锁相放大器，所述双频锁相放大器用于对所述检测信号进行一倍频与三倍频的测量而获取一倍频的检测信号与三倍频的检测信号供后续分析，其中所述三倍频的检测信号体现样品的热导率。在一种实施方式中，所述控制器还包括传感器、信号处理模块及高速多路数据采集模块，所述传感器用于将所述锁相放大器输出的检测信号转换为转换信号，所述信号处理模块用于对所述转换信号进行去噪、放大、滤波处理以将所述转换信号转变为所述高速多路数据采集模块能够识别的标准信号，所述高速多路数据采集模块用于将所述标准信号记录在计算机系统中。在一种实施方式中，所述激光激励模块从样品远离所述样品台的一侧发出激光对样品进行加热，所述激光激励模块的功率在0.1mW到10mW的范围内，所述激光激励模块的发生频率在5kHz以内的范围内，所述激光波长为360nm-800nm。在一种实施方式中，所述激光激励模块从样品台远离所述样品的一侧发出激光，所述激光经由贯穿所述样品台的通孔照射到所述样品上对样品进行加热，所述激光激励模块的功率为250mW，所述激光激励模块的发生频率在5kHz以内的范围内，所述激光波长为360nm-800nm。。在一种实施方式中，所述检测电路包括惠斯通电桥与放大器，所述惠斯通电桥包括第一电阻器、第二电阻器及第三电阻器，所述第一电阻器为可变电阻器，所述第一电阻器的一端连接所述扫描探针的一端，所述第一电阻器的一端与所述扫描探针的一端之间具有第一节点，所述第一节点接地，所述扫描探针的另一端连接所述第二电阻器的一端，所述扫描探针的另一端与所述第二电阻器的一端具有第二节点，所述第二节点连接所述放大器的第一输入端，所述第一电阻器的另一端连接所述第三电阻器的一端，所述第一电阻器的另一端与所述第三电阻器的一端具有第三节点，所述第三节点连接所述放大器的第二输入端，所述第三电阻器的另一端连接所述第二电阻器的另一端，所述第三电阻器的另一端与所述第二电阻器的另一端之间具有第四节点，所述第四节点与所述放大器的输出端分别连接所述控制器。在一种实施方式中，所述第二节点与第三节点之间还用于连接测量装置，用于通过所述第二节点与第三节点之间的电压变化获知所述扫描探针上的电信号变化而获知样品的热电性能。在一种实施方式中，所述扫描探针还用于在探针激励模式下对样品进行加热与检测，所述检测电路用于侦测所述扫描探针的电信号变化获得检测信号，所述控制器基于所述检测电路输出的检测信号分析样品的热电性能。在一种实施方式中，所述热电检测系统还包括探针激励模块，所述控制器控制所述探针激励模块在探针激励模式下向所述扫描探针施加一倍频的交流电激励信号以使所述扫描探针对样品进行加热。在一种实施方式中，所述热电检测系统还包括第一热电偶与第二热电偶，所述第一热电偶设置于所述样品台上并靠近所述样品的一端，所述第二热电偶设置于所述扫描探针上用于经由所述扫描探针接触所述样品，所述第一热电偶与所述第二热电偶共同监测所述样品的温度。一种热电检测方法，其包括如下步骤：提供激光对样品进行加热；利用扫描探针对样品进行检测；侦测所述扫描探针的电信号变化获得检测信号；及基于所述检测信号分析所述样品的热电性能。在一种实施方式中，所述热电检测方法还包括以下步骤：检测所述激光并依据检测结果对施加到样品上的激光进行调节。在一种实施方式中，所述热电检测方法还包括以下步骤：提供光学截光器用于对发出所述激光的光源进行开关或频率调制。在一种实施方式中，所述基于所述检测信号分析所述样品的热电性能的步骤还包括：提供锁相放大器对所述检测电路输出的检测信号进行采集，并配合所述光学截光器的开关对样品进行基于时间尺度的瞬态表征的步骤。在一种实施方式中，所述基于所述检测信号分析所述样品的热电性能的步骤还包括：利用双频锁相放大器用于对所述检测信号进行一倍频与三倍频的测量而获取一倍频的检测信号与三倍频的检测信号供后续分析，其中所述三倍频的检测信号体现样品的热导率。在一种实施方式中，所述基于所述检测信号分析所述样品的热电性能的步骤还包括：对所述锁相放大器采集的检测信号进行转换、去噪、放大、滤波处理后并转变为标准信号，以及将所述标准信号记录在计算机系统中的步骤。在一种实施方式中，提供激光对样品进行加热的步骤包括：在样品远离所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电检测系统，其特征在于，所述热电检测系统包括激光激励模块、扫描探针、样品台、检测电路及控制器，所述样品台用于承载样品，所述激光激励模块用于在激光激励模式下发出激光加热样品，所述扫描探针用于对样品进行检测，所述检测电路用于侦测所述扫描探针的电信号变化以输出检测信号，所述控制器用于接收所述检测电路输出的检测信号并基于所述检测信号分析所述样品的热电性能。

【技术特征摘要】
1.一种热电检测系统，其特征在于，所述热电检测系统包括激光激励模块、扫描探针、样品台、检测电路及控制器，所述样品台用于承载样品，所述激光激励模块用于在激光激励模式下发出激光加热样品，所述扫描探针用于对样品进行检测，所述检测电路用于侦测所述扫描探针的电信号变化以输出检测信号，所述控制器用于接收所述检测电路输出的检测信号并基于所述检测信号分析所述样品的热电性能。2.如权利要求1所述的热电检测系统，其特征在于，所述激光激励模块包括激光发生器、激光检测器及激光调节器，所述激光发生器用于发出激光加热样品，所述激光检测器用于检测所述激光发生器发出的激光并输出检测信号，所述激光调节器用于基于所述激光检测器输出的检测信号发出控制信号至所述激光发生器以调节所述激光发生器发出的激光。3.如权利要求2所述的热电检测系统，其特征在于，所述激光发生器的尺寸为100*40*40mm。4.如权利要求2所述的热电检测系统，其特征在于，所述激光发生器包括光源与光学截光器，所述光学截光器用于对所述光源进行开关或频率调制。5.如权利要求4所述的热电检测系统，其特征在于，所述控制器包括锁相放大器，所述锁相放大器用于对所述检测电路输出的检测信号进行采集，并配合所述光学截光器的开关对样品进行基于时间尺度的瞬态表征。6.如权利要求5所述的热电检测系统，其特征在于，所述锁相放大器为双频锁相放大器，所述双频锁相放大器用于对所述检测信号进行一倍频与三倍频的测量而获取一倍频的检测信号与三倍频的检测信号供后续分析，其中所述三倍频的检测信号体现样品的热导率。7.如权利要求5所述的热电检测系统，其特征在于，所述控制器还包括传感器、信号处理模块及高速多路数据采集模块，所述传感器用于将所述锁相放大器输出的检测信号转换为转换信号，所述信号处理模块用于对所述转换信号进行去噪、放大、滤波处理以将所述转换信号转变为所述高速多路数据采集模块能够识别的标准信号，所述高速多路数据采集模块用于将所述标准信号记录在计算机系统中。8.如权利要求1所述的热电检测系统，其特征在于，所述激光激励模块从样品远离所述样品台的一侧发出激光对样品进行加热，所述激光激励模块的功率在0.1mW到10mW的范围内，所述激光激励模块的发生频率在5kHz以内的范围内，所述激光波长为360nm-800nm。9.如权利要求1所述的热电检测系统，其特征在于，所述激光激励模块从样品台远离所述样品的一侧发出激光，所述激光经由贯穿所述样品台的通孔照射到所述样品上对样品进行加热，所述激光激励模块的功率为250mW，所述激光激励模块的发生频率在5kHz以内的范围内，所述激光波长为360nm-800nm。10.如权利要求1所述的热电检测系统，其特征在于，所述检测电路包括惠斯通电桥与放大器，所述惠斯通电桥包括第一电阻器、第二电阻器及第三电阻器，所述第一电阻器为可变电阻器，所述第一电阻器的一端连接所述扫描探针的一端，所述第一电阻器的一端与所述扫描探针的一端之间具有第一节点，所述第一节点接地，所述扫描探针的另一端连接所述第二电阻器的一端，所述扫描探针的另一端与所述第二电阻器的一端具有第二节点，所述第二节点连接所述放大器的第一输入端，所述第一电阻器的另一端连接所述第三电阻器的一端，所述第一电阻器的另一端与所述第三电阻器的一端具有第三节点，所述第三节点连接所述放大器的第二输入端，所述第三电阻器的另一端连接所述第二电阻器的另一端，所述第三电阻器的另一端与所述第二电阻器的另一端之间具有第四节点，所述第四节点与所述放大器的输出端分别连接所述控制器。11.如权利要求10所述的热电检测系统，其特征在于，所述第二节点与第...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧云，谢淑红，邹代峰，赵晋津，付比，刘正浩，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44