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制造方法及图纸

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

【技术实现步骤摘要】
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
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。
技术介绍
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(AtomicForceMicroscope，AFM)基础上发展起来的扫描热探针显微镜(ScanningProbeMicroscopy,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。
技术实现思路
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。r>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。本专利技术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ΔU3ω与所述样品材料微区热导λs之间关系，定量表征所述样品材料纳米尺度微区热导λs的所述纳米尺度微区热导率表达式为：其中，ΔU3ω为热探针接触被测样品材料前后三倍频跳变信号，λs为微区热导，C、D为常数，所述热探针加热频率ω在100Hz～3kHz范围内。比较好的是，本专利技术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：AFM控制系统，热探针，AFM热探针支架，磁性金属垫层和AFM样品材料台，其中，所述热探针安装于所述热探针支架之上；所述样品材料固定在所述磁性金属垫层上，所述磁性金属垫层磁性吸附于所述AFM样品材料台；所述AFM控制系统控制所述AFM热探针支架和所述AFM样品材料台使所述热探针的针尖以准静态的方式接近所述样品材料并与之表面相互接触，接触前后，所述热探针针尖热环境保持不变但纳米尺度的交变热波的热流通道发生改变，引起所述热探针的热波信号跳变与所述样品材料热导率直接相关，引起所述热探针三倍频信号的变化，由所述交流电桥模块输出，并由所述纳米尺度微区热导率原位检测模块进行原位检测。比较好的是，本专利技术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，所述纳米尺度微区热导率原位检测模块进一步包括：AFM控制系统，锁相放大器和数据处理显示模块，其中，所述锁相放大器与所述交流电桥模块的第二输出端相连，用于实时读取所述交流电桥模块输出的电压信号；所述数据处理显示模块与所述锁相放大器输出端相连，用于处理并显示所述交流电桥模块输出端电压信号，并原位获得所述热探针的力谱曲线和热学信号的渐近曲线，实现所述样品材料纳米尺度热波信号跳变的原位检测。比较好的是，本专利技术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，所述原子力显微镜交变热波激励模块包括：交变激励源、交流电桥模块和所述热探针；其中，所述交变激励源的输出与所述交流电桥模块输入相连，所述交流电桥模块的第一输出端与所述热探针相连，所述交变激励源通过所述交流电桥模块实现对所述热探针一阶非线性热敏特性的激发并产生交变热波，实现所述热探针与所述样品材料的微区热波激励，并通过所述交流电桥模块输出与交变热波幅值正相关的热学信号。比较好的是，本专利技术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用于所述热探针与所述样品材料之间接触与非接触跳变状态的控制，并用于所述热探针热学信号的渐近曲线的控制和获取，并用来原位获得原子力显微镜所述热探针的力谱曲线，所述热探针力谱曲线的跳变点与所述热探针的交变热波跳变点处于同一位置，即相同的所述热探针与所述样品材料距离，所述热探针的力谱曲线的测定是为了准确标定所述热探针热学信号跳变点的起始位置和终止位置。比较好的是，本专利技术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，所述热探针包括接触扫描功能模式，所述热探针与所述样品材料互作用接触面积为10～30nm，所述热探针激励电压为10～800mV，所述热探针作用力典型值为10nN～100nN。比较好的是，本专利技术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，所述交流电桥模块进一步包括：交流电桥，减法运算模块，电压信号增益模块和电压信号限压模块，所述交流电桥输出端依次连接所述减法运算模块、所述电压信号增益模块和所述电压信号限压模块；其中，所述交流电桥包括第一、第二桥臂组成，所述第一、第二桥臂从信号输入端依次接入固定电阻、电位器、信号输出端、可调电感、负载接入端和接地端；所述负载接入端分别接入所述热探针和与所述热探针室温电阻值等值的线性电阻；所述减法运算模块用于计算所述交流电桥第一、第二桥臂输出端电压信号的差值；所述电压信号增益模块对所述减法运算模块输出电压信号放大；所述电压信号限压模块对输出电压限制，防止电压输出过大。比较好的是，本专利技术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，所述样品材料表征的纳米尺度微区热导范围为0.01W·m-1·K-1～30W·m-1·K-1。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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：/n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；/n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；/n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

【技术特征摘要】
1.一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ΔU3ω与所述样品材料微区热导λs之间关系，定量表征所述样品材料纳米尺度微区热导λs的所述纳米尺度微区热导率表达式为：



其中，ΔU3ω为热探针接触被测样品材料前后三倍频跳变信号，λs为微区热导，C、D为常数，所述热探针加热频率ω在100Hz～3kHz范围内。


2.根据权利要求1所述的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：
AFM控制系统，热探针，AFM热探针支架，磁性金属垫层和AFM样品材料台，其中，所述热探针安装于所述热探针支架之上；所述样品材料固定在所述磁性金属垫层上，所述磁性金属垫层磁性吸附于所述AFM样品材料台；所述AFM控制系统控制所述AFM热探针支架和所述AFM样品材料台使所述热探针的针尖以准静态的方式接近所述样品材料并与之表面相互接触，接触前后，所述热探针针尖热环境保持不变但纳米尺度的交变热波的热流通道发生改变，引起所述热探针的热波信号跳变与所述样品材料热导率直接相关，引起所述热探针三倍频信号的变化，由所述交流电桥模块输出，并由所述纳米尺度微区热导率原位检测模块进行原位检测。


3.根据权利要求2所述的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，所述纳米尺度微区热导率原位检测模块进一步包括：
AFM控制系统，锁相放大器和数据处理显示模块，其中，所述锁相放大器与所述交流电桥模块的第二输出端相连，用于实时读取所述交流电桥模块输出的电压信号；所述数据处理显示模块与所述锁相放大器输出端相连，用于处理并显示所述交流电桥模块输出端电压信号，并原位获得所述热探针的力谱曲线和热学信号的渐近曲线，实现所述样品材料纳米尺度热波信号跳变的原位检测。


4.根据权利要求3所述的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，所述原子力显微镜交变热波激励模块包括：
交变激励源、交流电桥模块和所述热探针；
其中，所述交变激励源的输出与所述交流电桥模块输入相连，所述交流电桥模块的第一输出端与所述热探针相连，所述交变激励源通过所述交流电桥模块实现对所述热探针一阶非线性热敏特性的激发并产生交变热波，实现所述热探针与所述样品材料的微区热波激励，并通过所述交流电桥模块输出与交变热波幅值正相关的热学信号。


5.根据权利要求4所述的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用于所述热探针与所述样品材料之间接触与非接触跳变状...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐琨淇，曾华荣，赵坤宇，李国荣，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31