CN105698953B - 一种基于石墨烯无源热电偶的温度探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯无源热电偶的微纳尺度温度探测方法，该测试方法基于石墨烯的赛贝克系数可以调节，用石墨烯一种材料，制备传统上需要两种材料才可以制备的热电偶器件，实现温度探测。本发明同时避免传统的利用外加电压调制石墨烯赛贝克系数的方式，直接通过不同功函数的金属接触，使得不同区域的石墨烯赛贝克系数不同。本发明既可以直接集成在芯片上原位测量，也可以集成在探针头上，用于扫描不同样品的温度梯度。

Description

一种基于石墨烯无源热电偶的温度探测方法

技术领域

本发明属于微纳尺度器件技术领域，具体涉及一种基于石墨烯无源热电偶的微纳尺度温度探测方法。

背景技术

微纳尺度下温度的测量对于纳米科学和生物技术具有重要意义。按照探测机理分类，目前主要的测量手段有光致发光型和非光致发光型的温度计。光致发光型温度计包括红外、拉曼、荧光温度计等，非光致发光型温度计包括热电偶、液晶温度计、扫描热能显微镜等，其中热电偶作为无源器件，因为其原理、结构简单，具有独特优势(Brites,Carlos DS,et al."Thermometry at the nanoscale."Nanoscale 4.16(2012):4799-4829.)。

热电偶通过两种热电材料的赛贝克系数差值，将温度差值转化为电压差，实现温度测量。然而普通热电偶需要两种不同的材料，或者需要用外加不同电压改变同一种材料的赛贝克系数，这使得微纳尺度下的加工和集成比较困难。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于石墨烯无源热电偶的微纳尺度温度探测方法。该测试方法基于石墨烯的赛贝克系数可以调节，用石墨烯一种材料，制备传统上需要两种材料才可以制备的热电偶器件，实现温度探测。

为达到本发明的上述目的，本发明提供的温度探测方法，包括如下步骤：

1)合成单层石墨烯薄膜，并将石墨烯转移至衬底上；

2)采用电子束曝光、显影、刻蚀石墨烯，形成U形的石墨烯无源热电偶，以及多个U形石墨烯无源热电偶构成阵列；

3)在石墨烯无源热电偶上溅射两种不同金属材料制备的电极，获取上述石墨烯无源热电偶的电压ΔU；

4)根据公式ΔT＝ΔU/(S₁-S₂)，得到石墨烯无源热电偶测试的温度，其中S₁、S₂为石墨烯接触金属后的赛贝克系数。

如图1所示，本发明石墨烯无源热电偶的横向尺寸为：两个弯头的宽度d₁、d₃在50nm～500nm范围内，弯头之间的宽度d₂不小于200nm，石墨烯无源热电偶的纵向的尺寸为：横梁的宽度h₁在100nm～500nm范围内，弯头的长度h₂不小于200nm。

外围读取电路可采用存储器的结构，用字线和位线结合的方式，扫描读取电压。

本发明的工作原理：石墨烯的能带结构改变时(例如在外加栅压的情况下)，赛贝克系数会显著变化(Dragoman,D.,and M.Dragoman."Giant thermoelectric effect ingraphene."Applied Physics Letters 91.20(2007):203116.)。而调制石墨烯的费米能级还可以通过金属与石墨烯的接触来实现，当金属与石墨烯表面间距较大时，金属与石墨烯的接触所引起的费米能级的变化值几乎是常数，Al使得石墨烯n掺杂，Au、Ag、Cu、Pt使得石墨烯p掺杂(Giovannetti,G.,et al."Doping graphene with metal contacts."PhysicalReview Letters 101.2(2008):026803.)。利用这一现象，合理设计金属与石墨烯的位置，使得同一片石墨烯上的掺杂类型不同，进而产生赛贝克系数的差值用来制成热电偶。

本发明的技术优点：

1)热电偶只用一种材料制备，简化了工序，也避免了不同材料之间的应力。

2)用不同金属材料调节石墨烯费米能级，不需要外加偏压，保持器件的无源特性，使得器件结构简单，容易控制，抗外界干扰能力强。

3)器件尺寸较小，可以实现微纳尺度的温度测量。

4)器件易集成为二维阵列，可以同时精确表征较大范围内的温度分布。

5)器件响应速度较快，可以实时监控各点温度的变化。

6)器件应用范围广，既可以直接集成在芯片上原位测量，也可以集成在探针头上，用于扫描不同样品的温度梯度。

附图说明

图1为石墨烯热电偶器件的示意图；

图2～图4为SOI衬底上制备的石墨烯热电偶流程示意图；

图5为SOI衬底上制备的石墨烯热电偶阵列的示意图。

图中1—Al电极；2—Au、Ag、Cu、Pt电极的一种；3—石墨烯；4—SOI衬底的埋氧层；5—SOI衬底的顶层硅；6—公共地线；7—电信号引出。

具体实施方式

下面通过实例对本发明做进一步说明。需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

以SOI衬底上制备的石墨烯热电偶阵列为例，介绍单个器件和阵列的加工方法。

1)合成单层石墨烯薄膜

在H₂、Ar气体环境中将Cu箔加热至1000℃左右，再通入CH₄，在Cu箔表面裂解为C和H，C被Cu箔吸附。之后在H₂、Ar气体环境中冷却Cu箔，在冷却过程中C析出，形成单层的石墨烯在Cu箔的表面。

2)将石墨烯转移至SOI衬底上

在石墨烯表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，再将样品整体浸入到1mol/L的FeCl_g溶液中，刻蚀掉金属Cu。用去离子水清洗石墨烯/PMMA后，再用SOI片将石墨烯/PMMA整体捞出。用丙酮、酒精溶液依次清洗样品，除去PMMA，最后甩干、烘干，得到覆盖有单层石墨烯的SOI片，如图2所示。

3)刻蚀石墨烯

采用电子束曝光、显影、刻蚀，得到U形石墨烯。d₁、d₃均为300nm，d₂为400nm，h₁为300nm，h₂为700nm，整个器件为1μm×1μm的正方形，如图3所示。

4)溅射金属

在石墨烯左侧溅射100nm厚的Al，在石墨烯右侧溅射100nm厚的Au。如图4所示。

5)集成阵列并设计金属连线

如图5所示，按照1～4步的操作做成4×4的热电偶阵列。采用Cu互连的方式将电极上的电压信号引出。公共地线将器件左下方的Al电极连接，电信号引出线依次引出16个器件右下方的Au电极。外围读取电路可采用存储器的结构，用字线和位线结合的方式，扫描读取电压。

6)计算温度梯度

ΔT＝ΔU/(S₁-S₂)，其中S₁-S₂的精确值可以通过理论计算获得(Dragoman,D.,andM.Dragoman."Giant thermoelectric effect in graphene."Applied Physics Letters91.20(2007):203116.)。已知Al、Au对石墨烯的等效掺杂作用分别为ΔE_F＝-0.1V、0.4V，本例中估算的S₁-S₂约为4uV/K。理论计算值也可以通过其他测温技术进行校准。

7)画出温度分布示意图

假设该阵列中温度分布不均匀，且热源远远小于石墨烯阵列，可以认为石墨烯边缘处于室温下(边条件)。根据各点的温度梯度和边条件，即可得到阵列上各点处的温度，测量精度由阵列大小和密度决定。

本发明还可以将阵列集成在探针头上，只要适当减小器件尺寸，同时对应增加电极引出线数目即可。具体为：在Cu箔上CVD生长石墨烯，在Cu箔上直接加工热电偶器件，将Cu箔上的石墨烯热电偶器件转移至钨针针头上。针头大小为1.5μm×1.5μm，本实例中取d₁、d₃均为300nm，d₂为400nm，h₁为300nm，h₂为600nm。用Cu线10键合在热电偶两端，两根线之间电压通过电压表读出，即可换算出该热电偶所在区域的温度梯度。Cu线既可以将电压信号引出，也起到固定热电偶的作用。利用公式ΔT＝ΔU/(S₁-S₂)，计算温度梯度。其中S₁-S₂的估算值仍为4μV/K，精确值可通过其他测量方式校准。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种基于石墨烯无源热电偶的温度探测方法，其步骤包括：

1)合成单层石墨烯薄膜，并将石墨烯转移至衬底上；

2)采用电子束曝光、显影、刻蚀石墨烯，形成U形的石墨烯无源热电偶，以及多个U形石墨烯无源热电偶构成阵列；

3)在石墨烯无源热电偶上溅射两种不同金属材料制备的电极，获取上述石墨烯无源热电偶的电压ΔU；

4)根据公式ΔT＝ΔU/(S₁-S₂)，得到石墨烯无源热电偶测试的温度，其中S₁、S₂为石墨烯接触金属后的赛贝克系数。

2.如权利要求1所述的基于石墨烯无源热电偶的温度探测方法，其特征在于，U形石墨烯无源热电偶的横向尺寸为：两个弯头的宽度d₁、d₃在50nm～500nm范围内，弯头之间的宽度d₂不小于200nm，石墨烯无源热电偶的纵向的尺寸为：横梁的宽度h₁在100nm～500nm范围内，弯头的长度h₂不小于200nm。

3.如权利要求1所述的基于石墨烯无源热电偶的温度探测方法，其特征在于，步骤3)中增加一外围读取电路，用字线和位线结合的方式扫描读取电压。