CN110579628B - 一种纳米尺度极低热导的原位表征装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种纳米尺度极低热导的原位表征装置，用于检测一被测热电材料样品的微区热导，包括：一纳米尺度热学信号原位激励模块，用于原位激发与所述被测材料接触前后的微区热导相关的一倍频、三倍频热学信号；一纳米尺度热学信号原位检测模块，用于实现所述一倍频、三倍频热学信号的原位实时检测和处理，并显示微区热导的原位表征结果；所述热电探针加热频率在90Hz～760Hz范围内，ΔV_3ω与lnω呈线性关系，根据其线性部分的斜率则可定量表征出所述微区热导λ_s。本申请将原子力显微镜纳米检测功能、探针焦耳热效应、热检测的三倍频激发与线热源模型相结合，建立其基于原子力显微镜的纳米尺度极低热导的原位表征装置。

Description

一种纳米尺度极低热导的原位表征装置

技术领域

本申请属于信号检测仪器领域，尤其涉及一种纳米尺度极低热导的原位表征装置。

背景技术

基于热能与电能相互转换效应的热电材料已成为当前一种重要的清洁能源材料，在热电发电和热电制冷等领域具有重要的应用，例如工业余热的高效多级利用、环保能量回收、特种电源、高功率电子技术以及微小型制冷等。高性能、高热电转换效率的热电材料和器件要求材料具有高电导、低热导等独特性能。热导率是影响热电材料能量转换效率的关键参量，热导率愈低，对热电转换效率贡献就越显著。新近发展的局域“声子液体-电子晶体”特征的新型快离子导体热电材料，如Cu₂Se具有极低的热导率(0.2W/m·K)；又如掺杂的硒化锡热电晶体，表现出超低的热导率(0.17W/m·K)。此外，有机聚合物热电材料也多表现出低热导的特点(大多低于0.5W/m·K)，且有机热电材料在柔性、低成本热电应用方面展现出诱人的应用前景。

在热电材料中，纳米第二相和晶界在高热电性能方面起着至关重要的作用。通过引入位错，纳米第二相和晶界可以极大地散射中低频声子，降低晶格热导率，从而提高材料的热电性能。但是，纳米第二相和晶界等微观因素对热电性能研究还不深入，迫切需要发展新的方法来实现纳米尺度热电参量的原位表征，从而建立各微观因素和电热输运之间的联系，推动高性能热电材料和热电器件的设计与优化。

目前宏观热导的测量技术如稳态测量法、非稳态法等难以满足微观热导测量的迫切需求。针对该局限性，本申请希望发展一种基于原子力显微镜的纳米尺度极低热导的原位表征装置，实现热电材料极低热导的原位动态表征，以满足日益发展的高性能热电材料的纳米热电物理性能表征之急需。

发明内容

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。

针对上述目前高性能热电材料和器件研究之急需，本申请是在普通原子力显微镜(AFM)平台上提出一种用于实现纳米尺度极低热导原位表征装置，实现热电材料和器件微区热导的原位测量，为有关高性能热电材料的极低热导提供一种高分辨原位表征技术。

为了实现上述发明目的，本发明提出了一种纳米尺度极低热导的原位表征装置，用于检测一被测热电材料样品的微区热导，其特征在于，所述装置进一步包括：

一纳米尺度热学信号原位激励模块，用于原位激发与所述被测材料接触前后的微区热导相关的一倍频、三倍频热学信号；

一纳米尺度热学信号原位检测模块，用于实现所述一倍频、三倍频热学信号的原位实时检测和处理，并显示微区热导的原位表征结果；

所述微区热导表达式为：

其中，ΔV_3ω为热电探针接触被测热电材料样品前后的三倍频信号之差，V_ω为热电探针一倍频信号，ω为热电探针加热频率，λ_s为微区热导，R₀为热电探针室温电阻，C为常数，所述热电探针加热频率ω在90Hz～760Hz范围内，根据ΔV_3ω与lnω线性关系的斜率定量表征出所述微区热导λ_s。

比较好的是，本发明进一步提供了一种纳米尺度极低热导的原位表征装置，其特征在于，

所述原位表征的微区热导λ_s低于1W/m·K。

比较好的是，本发明进一步提供了一种纳米尺度极低热导的原位表征装置，其特征在于，所述纳米尺度热学信号原位激励模块进一步包括：

一原子力显微镜平台，一热电探针，一电阻，两个可调电阻网络，一信号发生器，一热电材料样品，一磁性底座，一信号传输端，一所述一倍频谐波电压信号输出端口，一所述三倍频谐波电压信号输出端口，其中，所述被测材料样品置于所述磁性底座上，所述热电探针、所述电阻和所述两个可调电阻网络和信号发生器组成一惠斯通电桥，所述热电探针与所述被测材料样品先非接触、后接触并置其上，以检测与所述被测材料样品接触前后的所述热电探针热信号的变化；所述热电探针一倍频信号输出端口两端源于所述热电探针的引线两端，所述热电探针三倍频电压信号输出端口的第一端连接所述热电探针与所述惠斯通电桥相连端，其第二端连接所述电阻与所述惠斯通电桥相连端。

比较好的是，本发明进一步提供了一种纳米尺度极低热导的原位表征装置，其特征在于，

所述一倍频信号源于一交变电流作用于所述热电探针所诱导的一倍频信号，所述热电探针三倍频谐波信号源于所述交变电流作用于所述热电探针与所述材料样品接触前后产生的频率为三倍频信号，其中接触前后的三倍频信号之差与所述微区热导相关。

比较好的是，本发明进一步提供了一种纳米尺度极低热导的原位表征装置，其特征在于，

所述热电探针工作模式包括接触工作模式和非接触工作模式，在所述非接触工作模式下，所述热电探针与所述热电材料样品接触前间距不低于10μm,以确保所产生的三倍频信号仅局限于与空气热交换，不与所述热电材料样品表面产生热交换。

比较好的是，本发明进一步提供了一种纳米尺度极低热导的原位表征装置，其特征在于，

所述热电探针包括一具热敏电阻特性的探针。

比较好的是，本发明进一步提供了一种纳米尺度极低热导的原位表征装置，其特征在于，

所述热电探针的工作频率范围为100Hz～5kHz，工作电流范围为1mA～100mA。

比较好的是，本发明进一步提供了一种纳米尺度极低热导的原位表征装置，其特征在于，所述纳米尺度热学信号原位检测模块进一步包括：

第一、第二高灵敏度锁相放大器，一信号采集模块和一数据处理和显示模块，所述第一、第二高灵敏度锁相放大器分别用以检测并放大所述一倍频信号、三倍频信号，所述信号采集模块用于实现所述第一、第二高灵敏度锁相放大器的输出信号的频谱采集，所述数据处理及显示模块根据所述信号采集模块的输出计算获得所述微区热导。

本装置将原子力显微镜纳米检测功能、探针焦耳热效应、热检测的三倍频激发以及线热源模型相结合，建立其基于原子力显微镜的纳米尺度极低热导的原位表征装置。本发明的装置不仅具有热信号原位同时激发、原位同步表征的独特功能，而且具有高分辨率、高灵敏度、高信噪比、测试直接等优点。本申请所述的关键技术装置结构简单、兼容性强，适与不同商用原子力显微镜系统相结合，是一项易于推广和应用的新技术。该技术拓展了现有商用原子力显微镜所不具有的纳米尺度极低热导的评价功能，为深入高性能热电材料和器件的创新研发提供了重要的原位定量表征新方法。

附图说明

现在将详细参考本公开的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本公开中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本公开说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本公开。

下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1(1)和图1(2)分别示意了本申请的纳米尺度极低热导原位表征的热电探针-热电材料样品相互接触前后示意图；

图2示意出本申请的纳米尺度极低热导原位表征装置的结构框图；

图3示意出图2中所述的纳米尺度热学信号原位激励模块的结构框图；

图4示意出图2中所述的纳米尺度热学信号原位检测平台的结构框图；

图5(1)～图(3)分别示意出热电探针与有机聚合物热电材料的接触方式；

图6示意出有机热电聚合物热电材料的微区三倍频热学信号的频谱关系；

图7示意出有机聚合物热电材料纳米尺度极低热导原位定量表征结果的列表。

附图标记

1——纳米尺度热学信号原位激励模块

2——纳米尺度热学信号原位检测模块

11——第一热电探针引线端

12——第二热电探针引线端

13——第一可调电阻网络

14——第二可调电阻网络

15——参考电阻

16——信号发生器

17——被测热电材料样品

18——磁性底座

19——原子力显微镜扫描器

20――第一高灵敏度锁相放大器

21――第二高灵敏度锁相放大器

22――信号采集模块

23――数据处理和显示模块

110——原子力显微镜扫描及控制系统

111——热电探针一倍频信号输出端口

112——热电探针三倍频信号输出端口

100――热电探针

200――热电材料样品

300――衬底

400――样品台

具体实施方式

本说明书公开了结合本发明特征的一或多个实施例。所公开的实施例仅仅例示本发明。本发明的范围不限于所公开的实施例。本发明由所附的权利要求是来限定。

说明书中引用的“一个实施例”、“一实施例”、“一示例性实施例”等等表明所述的实施例可以包括特殊特征、结构或特性，但所有实施例不必包含该特殊特征、结构或特性。此外，这些短语不必涉及相同的实施例。此外，在联系一实施例描述特殊特征、机构或特性时，就认为联系其他实施例(无论是否明确描述)实现这种特征、结构或特性在本领域的技术人员的知识范围之内。

原子力显微镜(AFM)已经成为当前开展纳米科学研究的最重要工具之一，它不仅可用来开展纳米尺度结构成像、操纵和性能表征的重要平台，同时它也是发展纳米表征新方法和新技术的重要平台。基于AFM平台，本发明提出了将AFM技术与探针焦耳热效应、热检测的三倍频激发以及线热源模型相结合，建立其基于原子力显微镜的纳米尺度极低热导的原位表征装置，用于实现热电材料纳米尺度极低热导的原位定量表征。该技术核心思想是利用AFM热电探针，基于焦耳热效应、三倍频热激发原理以及线热源模型，在热电探针上原位激励出频率调制的三倍频热学信号，原位检测热电探针与样品接触前后的不同频率下的热学信号变化，从而获得反映热电材料纳米尺度极低热导信息。该技术为高性能热电材料和器件的微区热导的定量表征提供了一种新方法和新技术。

本申请建立了一种基于原子力显微镜的纳米尺度极低热导的原位表征装置。其表征原理具体可表述如下：

当热电探针100通入频率为ω的交变电流时，会产生频率为2ω的温度波和热功率以及频率为3ω的热学信号。

如图1所示，定义热电探针100接触样品200前的探针3ω信号、温度波振幅、探针的热功率波动振幅分别为V_3ω,0、ΔT_tip,0、ΔP_tip,0，而探针接触样品200后上述各参量分别为V_3ω,c、ΔT_tip,c、ΔP_tip,c。探针接触样品200后将诱导样品200热功率和温度变化，定义样品200中的温度波振幅为ΔT_s，热功率波动振幅为ΔP_s。上述参量之间的关系可以用如下公式来表达：

其中l为热电探针100Pt/Rh丝长度，L为线热源长度，I₀为热电探针100电流，R₀为热电探针室温电阻，λ_air为空气热导，热电探针的电阻温度系数α。

上式表达的是线热源核心温度，并非线热源外介质的温度分布，因此无需乘以Bessel函数K₀项。同时由于探针与样品200的接触区域尺度远远小于探针Pt/Rh丝长度，因此未接触和接触样品200的探针针尖的ΔP_tip,0与ΔP_tip,c差别很小。

考虑热流的能量守恒，探针100产生的焦耳热一部分传至空气中，另一部被样品200吸收，所以有如下表达式成立：

ΔP_s＝ΔP_tip,0-ΔP_tip,c (4)

由于接触热阻的存在，样品200中的温度波振幅并不等于探针中的温度波振幅，但对于极低热导的样品200(λ＜1W/m·K)，样品200的温度波振幅与探针的温度波振幅之比接近一常数，假设该常数为1/B，其中B为常数，结合以上三式可以得到：

式(6)表明，样品200吸收功率对热电探针100产热的比例可表示为一个只与材料热导率有关的函数，即样品200吸收的热功率与热电探针100产生的热功率成正比，可用如下公式表达：

ΔP_s＝ΔP_tip·f(λ_s)(7)

对于极低热导样品200而言(λ＜1W/m·K)，检测探针接触前后的3ω信号之差ΔV_3ω(ΔV_3ω＝V_3ω,0-V_3ω,c)比三倍频信号的绝对值V_3ω更为敏感，因此进一步分析ΔV_3ω与热导率λ_s之间的关系。

根据式式(1)和式(2)可得：

同理，与V_3ω类似，将K₀取近似表达式，则有：

根据热电探针的线热源模型，热电探针工作频率存在一约束条件，即线热源模型下热电探针Pt/Rh丝的工作频率范围为90Hz～760Hz。此处激励频率下限条件(90Hz)是热波穿透深度不能超过Pt/Rh丝长度225μm，否则有部分热能未能束缚在探针Pt/Rh丝周围，则“线热源”将变成“点热源”，从而探针线热源模型失效；而上限激励频率(760Hz)决定于热电探针Pt/Rh丝焦耳热惯性引起的暂态响应的延迟，否则Pt/Rh丝散热速率“跟不上”焦耳热产热速率。因此，线热源模型下的热电探针工作频率具有一定的频率范围(90Hz～760Hz)。在该工作频率范围内，热电探针的三倍频信号与与频率的对数呈线性关系。

由此，根据式(10)，V_3ω与lnω之间在90Hz～760Hz工作频率范围内呈线性特性，其线性斜率可用来定量表征热导率，其表达式如下：

对于常数B而言，其理论推导及实验表明，其值近似等于1；2Lλ_air/l为一与硬件相关的常数。因此式(11)可进一步表示为：

实际表征过程中，常数C可用标样来标定。由于本模型是基于较低热导率条件而建立的，因此，式(12)只适用于热导率较低(λ＜1W/m·K)的样品200。

基于该工作原理，本申请建立了一种基于原子力显微镜的纳米尺度极低热导的原位表征装置。其工作结构如图2所示，该表征装置由二部分组成：纳米尺度热学信号原位激励模块1、纳米尺度热学信号原位检测模块2。其中纳米尺度热学信号原位激励模块1，用于原位激发与所述被测材料接触前后的纳米尺度极低热导相关的一倍频、三倍频热学信号；纳米尺度热学信号原位检测模块2，用于实现所述一倍频、三倍频热学信号的原位实时检测和处理，并显示纳米尺度极低热导的原位表征结果。

其中，纳米尺度热学信号原位激励模块1的工作结构如图3所示，主要包括一热电探针100，第一、第二热电探针引线端11和12，第一、第二可调电阻网络13、14，一参考电阻15，一信号发生器16，一被测热电材料样品17，一磁性底座18，一原子力学显微镜扫描器19，一原子力显微镜扫描及控制系统110，热电探针一倍频信号输出端口111，热电探针三倍频信号输出端口112。

其中，被测热电材料样品17紧密连接磁性底座18，并置于原子力显微镜扫描器19上。热电探针100，第一、第二可调电阻网络13、14，参考电阻15与信号发生器16组成惠斯通电桥。热电探针100与被测热电材料样品17先非接触、后接触并置其上，以检测热电探针与被测热电材料样品接触前后的探针热信号的变化。热电探针一倍频信号输出端口111信号引线二端源于热电检测探针100中第一、第二热电探针引线端11和12，热电探针三倍频信号输出端口112的第一端连接热电检测探针100与电桥相连的第一热电探针引线端11，其第二端连接惠斯通电桥中电阻网络14与参考电阻15相连接的共同引线端。

基于原子力显微镜(AFM)平台所建立的纳米尺度热学信号原位激励模块，其工作模式为AFM接触工作模式，其反馈参量(微悬臂形变量)为1～5nm，用以实现热电探针100与被测热电材料样品17之间良好的纳米尺度热接触及有效的信号激发和传输。

图3中的热电检测探针100，第一、第二两个可调电阻网络13、14，以及参考电阻15构成惠斯通电桥结构的热电回路，是纳米尺度热学信号原位激励模块1的核心回路，实现与热电材料样品微区热导直接相关的热学信号激发，其中热电检测探针100中第二热电探针引线端12引线与参考电阻15中引线共同接地。桥路整体封闭于金属盒内，以屏蔽干扰信号，两个可调电阻网络13、14为精密无感电阻，由此使得热电回路具有抗干扰性强和检测灵敏度高等优点。

热电探针100在纳米尺度热学信号原位激励模块1的核心部件，具热敏电阻特性。该探针同时具有微区加热、微区温度传感及微区信号输出等三种功能，结构单一、使用方便。其工作模式为接触模式，与被测热电材料样品17互作用接触面积的直径为30～100nm，实现了纳米尺度热学信号的有效激励及输出。热电探针100在信号发生器16的周期性信号激励下产生一倍频和三倍信号，检测热电探针100一倍频信号以及热电探针100与被测热电材料样品17接触前后三倍频信号的变化量，可以反映被测热电材料样品17的微区热导特性。热电探针100的工作频率须同时兼顾热电探针的最佳工作状态及热学信号的有效输出，其工作频率范围为100Hz～5kHz，其工作电流范围为1mA～100mA。

参考电阻15，其电阻值与热电探针相匹配，进一步避免了电桥失衡问题，同时提高了谐波信号的检测灵敏度，确保了测试数据的准确性，降低了测试工作条件。信号发生器16提供热电探针100、两个可调电阻网络13、14和参考电阻15所构成的热电回路的工作电源，其信号幅度和频率均可调。信号幅度兼顾热电探针100工作时的工作电流，而信号频率同时兼顾一倍频及三倍频热学信号激发所需稳态热功率的激励信号。

被测热电材料样品17和磁性底座18，彼此之间采用导电胶粘结，有效地保证了样品17的机械稳定性和信号的有效传输。

磁性底座18与AFM扫描器19通过磁力紧密相连，并且与AFM扫描及控制系统110相连，以实现被测热电材料样品17与热电探针100非接触、接触、稳定扫描和热学信号的有效激励及输出。

热电探针一倍频信号输出端口111，实现与所检测热电材料样品17的微区热导密切相关的探针一倍频信号输出。其信号引线二端源于热电探针100中第一热电探针引线端11和第二热电探针引线端12。热电探针三倍信号输出端口112，实现被测热电材料样品17微区热导密切相关的探针三倍频信号输出。其信号两端引线源于第一热电探针引线端11以及第二可调电阻网络14与参考电阻15相连接的共同引线端。

图4所示为纳米尺度热学信号原位检测模块2的组成框图。包括：第一高灵敏度锁相放大器20，第二高灵敏度锁相放大器21，信号采集模块22，数据处理和显示模块23等，用以实现热电探针100微弱一倍频信号、热电探针100与被测热电材料样品17接触前后的三倍频信号的原位实时检测、采集和处理以及显示纳米尺度极低热导参量的原位表征结果。

第一、第二高灵敏度锁相信号放大器20和21具有测量灵敏度高、抗干扰性强、且具线性和非线性检测功能、满足系统工作要求等优点，可实现微弱热学信号的高灵敏度检测。

信号采集模块22为基于编译程序软件建立的信号采集程序模块，实现第一、第二高灵敏度锁相信号放大器20和21输出的一倍频信号、三倍频信号的全频谱数据采集，具有高速实时软硬件通信、高密度数据采集等特点。

数据处理及显示模块23包括基于计算机平台的信号处理模块和结果显示模块。基于前面所述的微区热导表达式(12)，即：

可计算获得热电材料样品微区热导，并显示原位表征结果。

实施例1

应用本申请建立的基于原子力显微镜的纳米尺度极低热导原位表征装置对有机热电材料P3HT微区热导进行了测试。3-己基噻吩的聚合物(P3HT)因其适宜的带隙、优异的掺杂可逆性和较宽的掺杂范围是当前广泛关注的有机热电材料。纯的P3HT由于柔性侧己基链的诱导导致高分子链的随机聚集使其具有较差电输运性能，通过1,3,5-三氯苯(TCB)的处理可以使P3HT成纤维状定向排列，从而大幅度提高纤维轴向的热电转换性能。实验中涉及的P3HT材料包括：经过TCB处理过的定向P3HT纤维轴向(TCB-P3HT-轴向)、TCB处理过的定向P3HT纤维径向(TCB-treated P3HT-径向)，未经TCB处理过的无定形P3HT薄膜表面(P3HT-无定形)，同时选用了聚丙烯块体(Polypropylene)和Cu₂Se块体作为参考标准样品。

三种P3HT样品均被制成2μm厚的薄膜，其中衬底300为玻璃材质。测试时，热电探针100与三种P3HT纤维样品200的接触方式如图5(1)～5(3)所示，分别对应TCB-P3HT-轴向、TCB-P3HT-径向、P3HT-无定形的测试示意图。

图6给出了图5(1)～5(3)示意的各样品200与热电探针100接触前后的微区三倍频热学信号变化量(ΔV_3ω)表征结果。图中采用了ΔV_3ω对频率对数的线性范围作图，可以看出从150Hz到500Hz之间，ΔV_3ω对频率对数保持了较为完美的线性规律，其线性拟合得到的斜率与热导率有定量关系。用聚丙烯(PE)块体和Cu₂Se块体两个标准样品标定出微区热导定量表达式(12)的未知系统参数，即可对热电材料样品微区热导进行定量表征，表征结果具体值如图7的列表所示。

从图7可知，TCB处理过的定向P3HT热导率与未经TCB处理过的无定形P3HT相比，二者表现出极大的差异，同时定向P3HT纤维轴向与径向热导率表现出明显的各向异性。三种P3HT热导率大小关系为P3HT纤维径向、无定形P3HT、P3HT纤维轴向依次递增。上述热导率差异可从材料微结构取向度和有序度来理解。P3HT分子主链沿平行于纤维轴的方向高度取向，P3HT分子的高度有序和高度取向不仅降低了聚合物主链上的共轭缺陷，而且降低了平行于纤维轴方向的声子散射，隔绝了两条平行纤维之间的声子能量交换，从而降低了径向热导率，增大了轴向热导率，进而表现出与无定形P3HT有机热电材料不同的热学各向异性。

上述实例表明了基于原子力显微镜建立的纳米尺度极低热导原位表征装置解决了热电材料样品纳米尺度极低热导原位表征缺失这一关键技术难题。该新型纳米尺度原位表征装置实现了高性能热电材料和器件极低热导的原位检测，拓展了现有商用原子力显微镜所不具有的纳米尺度极低热导原位定量表征功能，为深入研究热电材料和器件的热电输运研究及其创新研发提供了重要的原位定量表征新方法。

同时，该方法也为当前迅猛发展的二维材料的微区热导表征提供了一种新方法。自石墨烯被发现以来，以层间范德华力结合的二维材料获得了极大的关注。二维材料所展示出的奇异物理性能及潜在的重要应用，被认为是后摩尔时代关键材料之一，有望发展成为具有功能可调控的新颖电子和光电器件以及能源俘获单元，特别是在新型柔性电子器件如触觉传感器、机电转换器件、生物集成系统和可穿戴式电子技术等方面提供了巨大的、全新的应用前景。二维材料新奇物理效应与其纳米结构及多场耦合密切关联，该研究目前亦是材料领域前沿课题，其中二维材料层间极低热导的原位表征是个重要难题。本方法因其纳米尺度分辨率以及极低热导原位表征的独特功能，在二维材料层间极低热导方面具有重要前景。

综上所述，本申请突出优点将原子力显微镜纳米尺度检测功能与探针焦耳热效应、热检测的三倍频激发以及线热源模型相结合，建立其基于原子力显微镜的纳米尺度极低热导的原位表征装置，实现了热电材料纳米尺度极低热导的原位定量表征。

本申请的具有纳米尺度极低热导原位激发、原位同步表征的独特功能，且具有高分辨率、高灵敏度、高信噪比、测试直接等优点。本申请所述的关键技术装置结构简单、兼容性强，适与不同商用原子力显微镜系统相结合，是一项易于推广和应用的新技术，可望在高性能热电材料和器件等领域中获得重要应用。同时该技术也可在当前日益发展的二维材料等热点材料的微区热导表征中具有重要应用潜力。

前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本申请。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本申请将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。

Claims (8)

1.一种纳米尺度极低热导的原位表征装置，用于检测一被测热电材料样品的微区热导，其特征在于，所述装置进一步包括：

一纳米尺度热学信号原位激励模块，用于原位激发与所述被测热电材料样品接触前后的微区热导相关的一倍频、三倍频谐波电压信号；

一纳米尺度热学信号原位检测模块，用于实现所述一倍频、三倍频谐波电压信号的原位实时检测和处理，并显示微区热导的原位表征结果；

所述微区热导表达式为：

其中，ΔV_3ω为热电探针接触所述被测热电材料样品前后的三倍频谐波电压信号之差，V_ω为热电探针一倍频谐波电压信号，ω为热电探针加热频率，λ_s为微区热导，R₀为热电探针室温电阻，C为常数，所述热电探针加热频率ω在90Hz～760Hz范围内，根据ΔV_3ω与lnω线性关系的斜率定量表征出所述微区热导λ_s。

2.根据权利要求1所述的纳米尺度极低热导的原位表征装置，其特征在于，

所述原位表征的微区热导λ_s低于1W/m·K。

3.根据权利要求1或2所述的纳米尺度极低热导的原位表征装置，其特征在于，所述纳米尺度热学信号原位激励模块进一步包括：

一原子力显微镜平台，一热电探针，一电阻，两个可调电阻网络，一信号发生器，被测热电材料样品，一磁性底座，一信号传输端，一一倍频谐波电压信号输出端口，一三倍频谐波电压信号输出端口，其中，所述被测热电材料样品置于所述磁性底座上，所述热电探针、所述电阻和所述两个可调电阻网络和信号发生器组成一惠斯通电桥，所述热电探针与所述被测热电材料样品先非接触、后接触并置其上，以检测与所述被测热电材料样品接触前后的所述热电探针热信号的变化；所述热电探针一倍频谐波电压信号输出端口两端源于所述热电探针的引线两端，所述热电探针三倍频谐波电压信号输出端口的第一端连接所述热电探针与所述惠斯通电桥相连端，其第二端连接所述电阻与所述惠斯通电桥相连端。

4.根据权利要求3所述的纳米尺度极低热导的原位表征装置，其特征在于，

所述一倍频谐波电压信号源于一交变电流作用于所述热电探针所诱导的一倍频谐波电压信号，所述热电探针三倍频谐波电压信号源于所述交变电流作用于所述热电探针与所述被测热电材料样品接触前后产生的频率为三倍频谐波电压信号，其中接触前后的三倍频谐波电压信号之差与所述微区热导相关。

5.根据权利要求3所述的纳米尺度极低热导的原位表征装置，其特征在于，

所述热电探针工作模式包括接触工作模式和非接触工作模式，在所述非接触工作模式下，所述热电探针与所述被测热电材料样品接触前间距不低于10μm,以确保所产生的三倍频谐波电压信号仅局限于与空气热交换，不与所述被测热电材料样品表面产生热交换。

6.根据权利要求3所述的纳米尺度极低热导的原位表征装置，其特征在于，

所述热电探针包括一具热敏电阻特性的探针。

7.根据权利要求3所述的纳米尺度极低热导的原位表征装置，其特征在于，

所述热电探针的工作频率范围为100Hz～5kHz，工作电流范围为1mA～100mA。

8.根据权利要求1所述的纳米尺度极低热导的原位表征装置，其特征在于，所述纳米尺度热学信号原位检测模块进一步包括：

第一、第二高灵敏度锁相放大器，一信号采集模块和一数据处理和显示模块，所述第一、第二高灵敏度锁相放大器分别用以检测并放大所述一倍频谐波电压信号、三倍频谐波电压信号，所述信号采集模块用于实现所述第一、第二高灵敏度锁相放大器的输出信号的频谱采集，所述数据处理及显示模块根据所述信号采集模块的输出计算获得所述微区热导。

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