一种拓扑型温度计、其制备及测量方法技术

本发明专利技术提供了一种拓扑型温度计，所述拓扑型温度计能够测量室温到极低温。还提供了其制备及测量方法。该温度计的核心部件是热敏响应材料，如具有范德瓦尔斯层状特征的材料Ta2Pd3Te5。在高温段，其电阻与温度的响应关系表现出指数变化关系，具有很好的温度响应行为；在低温段(约10K以下)，电阻与温度的响应关系表现出幂指数变化关系，并可延申到极低温(100mK以下)。其在极低温的电阻也远小于1兆欧，并具有可靠的温度响应特点，并将最低温度测量极限提高μK级以下。此外，该温度计在强磁场下的磁阻较小，即显示温度偏差也较小。该温度计不同温度区间的两种温度电阻变化行为和低温响应灵敏度的可控特点使其可应用于横跨6个数量级以上的温度测定，尤其为极低温温度测定提供了新型且可靠的技术支持。定提供了新型且可靠的技术支持。定提供了新型且可靠的技术支持。

【技术实现步骤摘要】
一种拓扑型温度计、其制备及测量方法


[0001]本专利技术属于半导体温度计领域，具体涉及一种拓扑型温度计、其制备及测量方法。

技术介绍

[0002]在半导体领域中，低温温度计的研究推动了低温领域的发展。随着科学技术的发展，对低温和极低温坏境的需求也越来越大。极低温下量子材料或量子器件将排除热涨落的影响而表现出其本征的量子行为，从而实现重大的实验和应用的突破，例如量子计算机的实现需要极低温的环境。因此，对极低温温度计的设计和研究，例如对mK级及以下的温度标定，对极低温设备的温度性能标定和提高有着极为重要的意义。
[0003]不同于通过激光等技术实现和标定原子级超低温环境，较大尺寸空间的极低温环境的温度探测往往需要用到半导体温度计。半导体温度计由于其电阻随温度的降低呈现指数增加的行为和其稳定的电学灵敏响应特点，被广泛应用于低温温度的标定。然而，传统半导体温度计的低温指数增长行为使得其很快在低温下的电阻达到兆欧甚至更大，这导致其测量温区的局限和极低温下的温度标定的能力不足。例如常用的室温到低温的温度计(cernox温度计)的低温测量极限在0.3K左右，常用的极低温温度计(氧化钌温度计)一般只能用于低温(35K以下)，并在10mK以下快速超过兆欧级，这类极低温温度计在稍高温度情况下通常会表现出较差的温度电阻响应灵敏度。因此，亟需开发一种具有可应用于较大温度区间，尤其是拓展极低温温区标定的商用温度计。

技术实现思路

[0004]因此，本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，解决现有半导体低温温度计无法高灵敏地探测从室温到极低温的大温区温度测量问题，提供一种拓扑型温度计、其制备及测量方法。本专利技术基于拓扑型材料(同时具有体态和表面态的材料，这里以Ta2Pd3Te5(钽钯碲)材料作为典型例子)的温度计应用其不同温区的电阻温度响应关系的不同变化行为，不但通过其室温到低温段电阻的半导体行为提高较高温段的温度测量灵敏度，而且可以通过其极低温段电阻温度的幂次率变化行为为mK级及以下的温度测定提供新的方案。全温区温度电阻信号响应灵敏度高且稳定，低温温度响应灵敏度可以用核心部件Ta2Pd3Te5的厚度和栅极电压来实现调控。并且该温度计在磁场中的磁阻较小，显示温度偏差也较小。这为制备探测极低温到室温的超大温区温度标定提供了新的方案，尤其为极低温地获得和探测提供有利的技术支持。
[0005]在阐述本
技术实现思路
之前，定义本文中所使用的术语如下：
[0006]术语“Pnma空间群”是指：七大晶系中正交晶系中的一种空间群，反映固体中原子排布规律。
[0007]术语“Pnma空间群的群号为62”是指：反映230个空间群中特定空间群的一个编号。
[0008]术语“PMMA”是指：聚甲基丙烯酸甲酯。
[0009]术语“Ta2Pd3Te
5”是指：钽钯碲。
[0010]术语“范德瓦尔斯层状材料”是指：层与层之间的相互作用力是范德瓦尔斯力的层状材料。
[0011]术语“四引线法”是指：用四根引线可以准确测量材料本征电阻的方法。
[0012]术语“MIBK”是指：甲基异丁基酮。
[0013]术语“IPA”是指：异丙醇。
[0014]术语“PDMS”是指：聚二甲基硅氧烷。
[0015]为实现上述目的，本专利技术的第一方面提供了一种拓扑型温度计，所述拓扑型温度计包括衬底和热敏响应材料；其中，
[0016]所述热敏响应材料的电阻在不同温区具有对不同温度的响应行为，且随着温度的变化而变化；
[0017]优选地，所述热敏响应材料具有正交结构的Pnma空间群，群号62。
[0018]根据本专利技术第一方面的拓扑型温度计，其中，
[0019]所述衬底的材料为绝缘体，选自以下一种或多种：硅片、蓝宝石、云母片；和/或
[0020]所述热敏响应材料为具有范德瓦尔斯层状特征的材料且具有体能隙，并在能隙处具有表面态；
[0021]优选地，所述硅片为含有二氧化硅的硅片；和/或
[0022]优选地，所述热敏响应材料选自以下一种或多种：Ta2Pd3Te5、Ta2Ni3Te5、Ta2NiSe5、ZrTe5、HfTe5、WTe2、MoTe2、MoS2、WS2、MoSe2、WSe2、TaIrTe4、(TaSe4)2I、(NbSe4)2I、Bi4Br4、Bi4I4、TaSe3、NbSe3。
[0023]根据本专利技术第一方面的拓扑型温度计，其中，
[0024]所述拓扑型温度计为基于块体热敏响应材料的温度计或基于薄层热敏响应材料的温度计；
[0025]优选地，所述基于块体热敏响应材料的温度计包括：衬底、热敏响应材料、导电胶、电极引线和保护胶；和/或
[0026]优选地，所述基于薄层热敏响应材料的温度计包括：衬底、热敏响应材料薄层样品、电极和保护层。
[0027]根据本专利技术第一方面的拓扑型温度计，其中，
[0028]所述基于块体热敏响应材料的温度计中，所述导电胶为AB银胶、快干银胶、压铟法制备的铟；所述保护胶为低温胶、低温清漆或光刻胶；和/或所述电极引线的直径为小于100μm的金属线，优选为小于50μm的金属线，其中，所述金属线的金属优选选自以下一种或多种：金、铂、铝、铟、铜；和/或
[0029]所述基于薄层热敏响应材料的温度计中，所述热敏响应材料薄层样品的厚度为1.4nm～1000nm；所述电极包括测量电极、漏电极和源电极，其中，所述电极优选选自以下一种或多种：钛金电极、镉金电极、钛钯电极、钯金电极；和/或所述保护层的材料选自以下一种或多种：PMMA、紫外光刻胶、深紫外光刻胶、极紫外光刻胶、电子束光刻胶；
[0030]优选地，所述基于薄层热敏响应材料的温度计还包括焊盘。
[0031]本专利技术的第二方面提供制备第一方面所述的拓扑型温度计的方法，所述方法包括以下步骤：
[0032](1)合成热敏单晶响应材料；
[0033](2)将步骤(1)中合成的热敏单晶响应材料制备成拓扑型温度计；
[0034]优选地，所述步骤(1)中还包括：
[0035](a)将不同的粉末按比例混合均匀后，放入坩埚并真空密封在石英管中；
[0036](b)将石英管放入高温炉中烧制，离心后获得所述热敏单晶响应材料块体；
[0037]更优选地，所述步骤(a)中，烧制的步骤还包括：缓慢升温至950℃并维持2天，按速率降温至800℃；和/或所述步骤(b)中还包括：将在高温炉中800℃的石英管拿出放入离心机中离心，离心后获得毫米级热敏单晶响应材料块体；
[0038]进一步优选地，所述步骤(a)中，所述速率为0.3～0.8℃/h，更进一步优选为0.5℃/h；和/或所述步骤(b)中，所述离心的时间为30～60min，更进一步优选为40～60min。
[0039]根据本专利技术第二方面的方法，其中，当拓扑型温度计为所述基于块体热敏响应材料的温度计时，制备方法包括以下步骤：
[0040](3)将步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种拓扑型温度计，其特征在于，所述拓扑型温度计包括衬底和热敏响应材料；其中，所述热敏响应材料的电阻在不同温区具有对不同温度的响应行为，且随着温度的变化而变化；优选地，所述热敏响应材料具有正交结构的Pnma空间群，群号62。2.根据权利要求1所述的拓扑型温度计，其特征在于：所述衬底的材料为绝缘体，选自以下一种或多种：硅片、蓝宝石、云母片；和/或所述热敏响应材料为具有范德瓦尔斯层状特征的材料且具有体能隙，并在能隙处具有表面态；优选地，所述硅片为含有二氧化硅的硅片；和/或优选地，所述热敏响应材料选自以下一种或多种：Ta2Pd3Te5、Ta2Ni3Te5、Ta2NiSe5、ZrTe5、HfTe5、WTe2、MoTe2、MoS2、WS2、MoSe2、WSe2、TaIrTe4、(TaSe4)2I、(NbSe4)2I、Bi4Br4、Bi4I4、TaSe3、NbSe3。3.根据权利要求1或2所述的拓扑型温度计，其特征在于：所述拓扑型温度计为基于块体热敏响应材料的温度计或基于薄层热敏响应材料的温度计；优选地，所述基于块体热敏响应材料的温度计包括：衬底、热敏响应材料、导电胶、电极引线和保护胶；和/或优选地，所述基于薄层热敏响应材料的温度计包括：衬底、热敏响应材料薄层样品、电极和保护层。4.根据权利要求1至3中任一项所述的拓扑型温度计，其特征在于：所述基于块体热敏响应材料的温度计中，所述导电胶为AB银胶、快干银胶、铟；所述保护胶为低温胶、低温清漆或光刻胶；和/或所述电极引线的直径为小于100μm的金属线，优选为小于50μm的金属线，其中，所述金属线的金属优选选自以下一种或多种：金、铂、铝、铟、铜；和/或所述基于薄层热敏响应材料的温度计中，所述热敏响应材料薄层样品的厚度为1.4nm～1000nm；所述电极包括测量电极、漏电极和源电极，其中，所述电极优选选自以下一种或多种：钛金电极、镉金电极、钛钯电极、钯金电极；和/或所述保护层的材料选自以下一种或多种：PMMA、紫外光刻胶、深紫外光刻胶、极紫外光刻胶、电子束光刻胶；优选地，所述基于薄层热敏响应材料的温度计还包括焊盘。5.制备根据权利要求1至4中任一项所述的拓扑型温度计的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)合成热敏单晶响应材料；(2)将步骤(1)中合成的热敏单晶响应材料制备成拓扑型温度计；优选地，所述步骤(1)中还包括：(a)将不同的粉末按比例混合均匀后，放入坩埚并真空密封在石英管中；(b)将石英管放入高温炉中烧制，离心后获得所述热敏单晶响应材料块体；更优选地，所述步骤(a)中，烧制的步骤还包括：缓慢升温至950℃并维持2天，按速率降温至800℃；和/或所述步骤(b)中还包括：将在高温炉中800℃的石英管拿出放入离心机中离心，离心后获得毫米级热敏单晶响应材料块体；
进一步优选地，所述步骤(a)中，所述速率为0.3～0.8℃/h，更进一步优选为0.5℃/h；和/或所述步骤(b)中，所述离心的时间为30～60min，更进一步优选为40～60min。6.根据权利要求5所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈洁，李宇鹏，王安琪，杨光，吕力，石友国，王志俊，钱天，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：