CN114812847A - 一种拓扑型温度计、其制备及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种拓扑型温度计、其制备及测量方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

发明内容

因此，本发明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。本发明基于拓扑型材料(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。

在阐述本发明内容之前，定义本文中所使用的术语如下：

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。

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。

术语“PMMA”是指：聚甲基丙烯酸甲酯。

术语“Ta₂Pd₃Te₅”是指：钽钯碲。

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。

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。

术语“MIBK”是指：甲基异丁基酮。

术语“IPA”是指：异丙醇。

术语“PDMS”是指：聚二甲基硅氧烷。

为实现上述目的，本发明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，

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。

根据本发明第一方面的拓扑型温度计，其中，

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。

根据本发明第一方面的拓扑型温度计，其中，

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。

根据本发明第一方面的拓扑型温度计，其中，

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

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。

本发明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：

(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。

根据本发明第二方面的方法，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：

(3)将步骤(1)中生长的热敏单晶响应材料块体固定在衬底上，并将电极引线的一端黏在衬底上；

(4)将电极引线的另一端按顺序分别连在固定在衬底上的热敏单晶响应材料块体上并涂上导电胶；和

(5)涂抹保护胶并封装拓扑型温度计，即得所述基于块体热敏响应材料的温度计；

优选地，所述步骤(3)中，所述固定在衬底上和黏上电极引线所使用的胶为低温胶；

优选地，所述步骤(4)中，将电极引线连在样品上使用的方法为四引线法；和/或

优选地，封装前后，所述电极引线应与所述热敏单晶响应材料块体电学接触良好。

根据本发明第二方面的方法，其中，当拓扑型温度计为所述基于薄层热敏响应材料的温度计时，制备方法包括以下步骤：

(6)制备薄层样品；

(7)通过微纳加工的方法制备所述基于薄层热敏响应材料的温度计。

根据本发明第二方面的方法，其中，

所述步骤(6)中，所述薄层样品的制备方法选自以下一种或多种：胶带解离、PDMS解离、化学气相输运法、分子束外延法、脉冲激光沉积法，优选为胶带解离和PDMS解离；和/或

所述步骤(7)中，所述微纳加工的方法制备所述基于薄层热敏响应材料的温度计包括以下：

(c)在步骤(6)的基础上，将薄层样品转移到绝缘衬底上，旋涂光刻胶，根据电极图案对光刻胶进行曝光、显影和定影；

(d)在步骤(c)显影的电极图案上蒸镀测量电极、漏电极和源电极，再去除光刻胶；和

(e)在整个衬底上旋涂光刻胶，将焊盘进行曝光、显影和定影，即得所述基于薄层热敏响应材料的温度计；

优选地，所述步骤(d)中，所述测量电极、漏电极和源电极上均设有用于键合引线以与外部设备连接的焊盘；和/或所述测量电极的数量为大于等于两个。

本发明的第三方面提供了根据第一方面所述的拓扑型温度计在制备用于测量广泛环境温度的设备中的应用，其中：

所述广泛环境温度范围为0.0001K～330K，优选为0.001K～300K；和/或

所述广泛环境温度范围包括高温温度范围和/或极低温温度范围，其中所述高温温度范围为50～300K，优选为80～300K，更优选为100～300K；和/或所述极低温温度范围为5k以下，优选为2k以下，更优选为0.1K以下。

本发明的第四方面提供了一种测量环境温度的方法，所述方法包括使用第一方面所述的拓扑型温度计；

优选地，所述方法包含以下步骤：

(A)校准所述拓扑型温度计并获得其温度工作曲线；

(B)将所述拓扑型温度计的引线或焊盘与外部源表连接，通过源表输入电流信号并读取温度计的电压信号的方式得到所述拓扑型温度计的电阻；和

(C)根据步骤(A)获得的温度工作曲线，计算得到所测量环境的温度值；其中：

进一步优选地，所述步骤(A)中，获得温度工作曲线的步骤为：在已标定温度的低温测量系统中，测量所述拓扑型温度计的电阻随温度的关系，并控制变温速率以便获得较为准确的温度电阻关系；和/或

进一步优选地，所述步骤(B)中，所述源表选自以下一种或多种电信号测量设备：电源表、纳伏表、数字锁相放大器。

根据本发明的一个具体的实施例，本发明提供了一种测量室温到极低温的拓扑型温度计，以范德瓦尔斯层状特征的材料Ta₂Pd₃Te₅为关键热敏响应材料。还提供了制备方法，包括以下步骤：

(1)合成Ta₂Pd₃Te₅单晶材料；

(2)将基于块体Ta₂Pd₃Te₅材料制备得到可探测极低温的基于块体温度计。

(3)将微纳尺寸的Ta₂Pd₃Te₅材料制备得到可探测极低温和室温的基于薄层热敏响应材料温度计。

其中，所述的热敏单晶Ta₂Pd₃Te₅材料通过助熔剂方法生长Ta₂Pd₃Te₅单晶材料，包括以下步骤：

(4)将高纯的钽粉末、钯块和碲粉末按比例混合均匀后，放入坩埚并真空密封在石英管中。

(5)将该石英管放入高温炉中烧制。

(6)将在高温石英管放入离心机中离心，获得Ta₂Pd₃Te₅热敏材料。

所述步骤(5)中，烧制方法是：缓慢升温至950℃并维持2天，用0.5℃每小时的速率降温至800℃。

所述步骤(6)中，Ta₂Pd₃Te₅单晶分离方法是：将在高温炉中800℃的石英管拿出放入离心机中离心，经过半个小时以上的离心后获得毫米级Ta₂Pd₃Te₅单晶块体。

测量室温到极低温的温度计用于低温环境中的温度测量，包括如下步骤：

(1)将该温度计的引线或焊盘与外部源表连接；

(2)通过源表输入电流信号并读取温度计的电压信号的方式得到该温度计的电阻。

(3)将所测到的该温度计电阻与该温度计的工作曲线比对可得到该温度计所处环境的温度值。

本发明的测量室温到极低温的温度计，能横跨极低温到室温的温度测量，极低温(100mK以下)下的温度测量需要该温度计与所测物体有良好的热接触，并施加的测量电流需非常小。

根据本发明的另一个具体的实施例，本发明温度计的核心部分是Ta₂Pd₃Te₅材料，其具有正交结构的Pnma空间群(群号为62)。理论计算表明该材料具有拓扑性质，即在Γ点处存在能带反转，形成能隙，并在能隙处具有拓扑表面态。其拓扑性质可根据晶格常数调节。这些结构和能带等特征对其随温度变化的电阻响应行为产生了很大的影响，从而可以被进一步应用于横跨5个量级以上的温度标定。

该Ta₂Pd₃Te₅温度计的工作机制为：温度的变化引发钽钯碲材料电阻的变化，并且在不同温区表现不一样的温度电阻响应行为。在高温段(几十开尔文到室温)，表现出典型的半导体行为，即电阻随温度的响应呈现指数变化行为。在极低温段(小于十开尔文)，电阻随温度的响应表现出幂次率变化行为。该低温电阻响应行为使得在极低温时也具有相对较小的电阻以及对温度响应敏感的优点，从而可以被用于极低温的温度标定。

Ta₂Pd₃Te₅温度计的制备方法因制备工艺的不同大致可分两种类型(但不限于这两种)，一种是热敏材料为块体(厚度是微米级以上)的温度计，一种是热敏材料为薄膜(厚度为纳米级)的器件温度计。

本发明提供了一种测量室温到极低温的温度计及其制备和应用。该温度计的核心部件是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传统的半导体行为，即呈指数变化关系，其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uK级以下。另外，本发明可以通过控制核心部件Ta₂Pd₃Te₅的厚度和其器件的栅极电压等调控手段实现低温温度测量的灵敏度响应控制，从而满足不同低温系统条件下的温度测定需求。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。

本发明的拓扑型温度计可以具有但不限于以下有益效果：

1、本发明通过新型材料构建的温度计，可以探测极低的温度(mK级及以下)。由于该温度计在10K以下的电阻温度关系偏离传统的指数关系，呈现幂次率变化关系，并可以延申至极低温。这使得其在极低温下的电阻变化不是很大，远小于1兆欧，可实现系统温度变化的高灵敏和准确监测，同时极大程度上拓展极低温度的探测手段。

2、本发明在高温下的电阻和温度的关系表现为传统半导体行为，这可以进一步拓展其在较高温区的探测应用，可以到室温，并具有较高的灵敏度和准确性。

3、本发明在低温下的磁阻(MR＝[R(B)-R(0)]/R(0)，其中R是电阻，B是磁场强度)很小，MR(1.8K,30特斯拉)<30％，这表明其在常规系统的较大温区和磁场范围内的显示温度偏差会比较小。

4、本发明还可以通过调节微纳器件Ta₂Pd₃Te₅的厚度，通过控制低温电阻幂次率的变化，即α(R～T^α)，进一步满足不同低温系统的温度响应灵敏度需求。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1示出了本发明实施例1的基于块体热敏响应材料温度计的俯视示意图。

图2示出了本发明实施例1的基于块体热敏响应材料温度计的截面示意图。

图3示出了本发明实施例2的基于薄层热敏响应材料温度计的俯视示意图。

图4示出了本发明图3所示的基于薄层热敏响应材料温度计局部放大图。

图5示出了本发明实施例2基于薄层热敏响应材料温度计的截面示意图。

图6示出了实施例3根据本发明基于薄层热敏响应材料温度计的工作原理示意图。

图7示出了本发明实施例4拓扑型温度计的温度电阻关系图；其中，图(a)示出了高温段(约几十K到300K)，电阻随温度的变化符合较好的指数关系；图(b)示出了极低温段(5K到0.1K以下)，电阻随温度的变化符合幂指数变化关系；说明本发明在较大温范围内(尤其是在极低温段)具有较好的工作性能。

图8示出了本发明拓扑型温度计在强磁场下的电阻响应关系图(磁阻＝[R(B)-R(0)]/R(0))，说明本发明在两个强磁场方向下的磁阻较小，见图a。换算成磁场温度偏差关系图b，可近似得到1.8K和30特斯拉下的显示温度偏差在1.3K以内，温度偏差率(|ΔT|/T)70％左右。常用的低温强磁场系统在10特斯拉左右或以下，因此换算成1.8K和10特斯拉下的温度偏差在0.8K以内，偏差40％左右。并且这个偏差会随温度升高而显著减小。这表明本发明温度计在低温磁场条件下对其显示的温度偏差相对较小。

图9示出了本发明实施例4拓扑型温度计随厚度和栅极电压调控的灵敏度响应关系图；其中，图(a-g)示出了Ta₂Pd₃Te₅的几个典型厚度下的温度电阻响应关系，其中其低温幂次率响应的起始温度随厚度的变化关系见图(h)；图(i)示出了该温度计随栅极电压变化的温度电阻响应关系；图(j)示出了该温度计随栅极电压变化的灵敏度(α，R～T^α)响应关系。

附图标记说明：

110、衬底；120、Ta₂Pd₃Te₅块材；140、导电胶；130、电极引线；150保护胶；220、Ta₂Pd₃Te₅薄层样品；170、测量电极；180、漏电极；190、源电极；200、焊盘；210、保护层；160、含衬底110的硅片。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

为了相关领域的技术人员能够更为透彻地理解本发明，下面将根据附图详细地介绍本发明的示例性实例。附图中仅显示了本发明公开的示例性实施例，而该发明的实现形式不应被这里阐述的实施例所限。

本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。

以下实施例中使用的试剂和仪器如下：

材料：

钽粉、钯块、碲粉，均购自Alfa Aesar公司；

GE Varnish，购自北京飞斯科科技有限公司；

AB银胶、快干银胶，购自北京飞斯科科技有限公司；

PDMS，购自上海昂维科技有限公司。

试剂：

丙酮、异丙醇，购自北京市通广精细化工公司；

显影液，甲基异丁基酮(Methyl Isobutyl Ketone，MIBK)和异丙醇(Isopropanol，IPA)1比3的混合溶液，购自Kayaku Advanced Materials股份有限公司；

PMMA，购自MicroChem公司。

仪器：

低温恒温器仪器，购自牛津仪器有限公司、型号TeslatronPT无液氦超导磁体低温系统。

数字锁相放大器，购自日本NF株式会社、型号LI5640或LI5650。

实施例1

本实施例用来说明本发明拓扑型温度计的制备方法。

本实施例所制备的拓扑型温度计为基于块体热敏响应材料温度计的具体步骤如下：

第一步：合成Ta₂Pd₃Te₅单晶块体材料：

(1)将钽粉(纯度99.999％)、钯块(纯度99.999％)和碲粉(纯度99.999％)按2：4.5：7.5的比例混合均匀，并放入氧化铝坩埚中。将该坩埚放入石英管中并抽真空密封(真空度小于5e-2帕)。全部的过程在氩气的氛围中经行。

(2)将该石英管放入高温炉中，用10小时将温度升至950℃并维持2天。用0.5℃每小时的速率降温至800℃。

(3)将高温炉中拿出800℃的石英管放入离心机中并离心，经过半个小时以上的离心后可以获得毫米级Ta₂Pd₃Te₅单晶块体。

第二步：制备基于块体Ta₂Pd₃Te₅的温度计：

挑选步骤一中较好的Ta₂Pd₃Te₅单晶块体，通过低温胶(GE varnish)将其固定在具有300nm SiO₂厚的硅片(长宽为5mm)上。同样用低温胶在硅片上粘四根金线，并用四引线法将金线的一端按顺序分别连在样品上，并涂上杜邦的快干银胶、AB银胶或用压铟法连接，本实施例所使用的是快干银胶。最后盖上低温胶以提高该温度计的使用寿命。此外，可根据尺寸等需求选择衬底等部件的大小，从而制备Ta₂Pd₃Te₅温度计的大小。

图1示出了本发明实施例1的基于块体热敏响应材料温度计的俯视示意图；图2示出了本发明实施例1的基于块体热敏响应材料温度计的截面示意图。

由图1和图2可知，本发明一般包括：衬底110、Ta₂Pd₃Te₅块材120、导电胶140、电极引线130、保护胶150。

本发明的衬底110一般可采用绝缘体，包括含有300纳米厚的二氧化硅110的硅片160、蓝宝石等，本发明对此不做限制。导电胶140可采用AB银胶、快干银胶等，本发明对此不做限制。电极引线130一般采用直径50微米以下较细的导线，可采用金线、铂线等，本发明对此不做限制。保护胶150是为了较好的保护该温度计，并延长其使用时间，其可采用低温胶(GE Varnish)等，本发明对此不做限制。

需要说明的是在封装(涂保护胶)前后都要保证引线电极与Ta₂Pd₃Te₅样品的良好接触，即接触电阻小，并且封装后要保证四根电极引线的引出。本领域技术人员应认识到，图1和图2中所示的仅是一种示意性的布局。实际应用中，在保证Ta₂Pd₃Te₅样品固定并和电极引线良好接触的前提下，可改变其它材料选择和布局方式。

实施例2

本实施例用来说明本发明拓扑型温度计的制备方法。

基于薄层热敏响应材料温度计器件的制备比较复杂，需采用微纳加工工艺，本实施例所制备的拓扑型温度计为基于薄层热敏响应材料温度计的具体步骤如下：

第一步：将用胶带解离的Ta₂Pd₃Te₅薄层样品220转移到绝缘层二氧化硅110上。

第二步：在包含样品的整个衬底上旋涂光刻胶PMMA。根据设计的电极图案对光刻胶进行曝光、显影和定影。具体地，PMMA光刻胶的曝光采用电子束曝光方式，用甲基异丁基酮(Methyl Isobutyl Ketone，MIBK)和异丙醇(Isopropanol，IPA)混合溶液的显影液对曝光后的PMMA光刻胶进行显影。定影采用异丙醇。

第三步：在显影出来的电极图案上蒸镀源漏电极和测量电极材料(如钛和金)，本实施例使用的是钛金电极，然后用丙酮去除光刻胶。

第四步：由于样品解离成薄层时容易氧化，在整个衬底上旋涂PMMA光刻胶进行保护。

第五步：根据设计将焊盘200区域进行曝光，并显影和定影。最后制备成该温度计器件。

图3示出了本发明实施例2的基于薄层热敏响应材料温度计的俯视示意图。如附图3所示，该温度计器件一般包括：衬底、Ta₂Pd₃Te₅薄层样品220、测量电极170、漏极180、源极190和保护层210。

衬底一般采用含有300纳米二氧化硅110的硅衬底160，这里不做具体限制。本发明中关键材料Ta₂Pd₃Te₅薄层样品220的获得可以采用胶带解离、化学气相输运法和分子束外延等方法，本发明不做具体规定。测量电极、源极和漏极是可以镀钛金电极、镉金等电极，本发明不做具体规定。保护层可以用聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)等光刻胶，本发明也不做具体规定。

图4示出了本发明图3所示的基于薄层热敏响应材料温度计局部放大图。图5示出了本发明实施例2基于薄层热敏响应材料温度计的截面示意图。如图4和5所述：为了方便将该器件与外部设备进行连线，该器件的每个电极(包括漏极180、源极190以及辅助测量电极170)均设计有用于键合引线以与外部设备连接的焊盘200(即，图5中位于最外缘的以阴影线表示的方框部分)。焊盘200的材料通常可与其所连接的电极材料相同，可用金线或铝线等。需要说明的是，图4中所示的测量电极170的数量仅是示意性的。从放大图5中可以看到，辅助测量电极170具有4个，这是为了提高器件制备的成功率，也可以增加或减小，但是不得小于两个。这种布局使该温度计器件能够适用于不同的应用场合，增强其灵活性和适应性。

实施例3

本实施例用来说明本发明基于薄层热敏响应材料温度计的工作原理。

图6示出了实施例3根据本发明基于薄层热敏响应材料温度计的工作原理示意图。190接源表的源端，180接漏端并接地，并测量电流，两个170端测电压，这是典型的四引线法测电阻。160端可接源表。

将该温度计放置在待测温度环境后，按上段所述说明练接好外部测量线路，即可测量源漏端的电流和两个170端的电压，并可计算得该温度计到电阻。根据该温度计的温度电阻工作曲线，可进一步得到待测环境的温度。可以通过栅极电压160端的调控，调节温度电阻响应灵敏度，满足不同的环境温度精度测量需求。

实施例4

本实施例用来说明本发明拓扑型温度计的性能表征。

用四引线法测量该温度计的温度电阻关系，图7示出了本发明实施例4拓扑型温度计的温度电阻关系图；其中，图(a)示出了高温段(约几十K到300K)，电阻随温度的变化符合较好的指数关系；图(b)示出了极低温段(5K到0.1K以下)，电阻随温度的变化符合幂指数变化关系；说明本发明在较大温范围内(尤其是在极低温段)具有较好的工作性能。

参见附图7，图7(a)中是用综合物性测量仪(PPMS)测量得到较高温区的温度电阻数据，可见高温段符合传统的半导体行为，即电阻随温度变化呈现指数变化行为。这个特征能应用于较高温区的温度测量工作，并具有较好的灵敏性和可靠性。当温度低于10K时，电阻温度关系明显偏离半导体行为，表现出幂指数变化行为。用稀释制冷机测量更低温度的电阻，发现低温下的幂指数增长行为可以延申到0.1K以下，见图7(b)。需要注意的是，图7的两个图的横纵坐标都是对数坐标，方便观察电阻温度的幂指数变化行为，即在对数坐标下表现出线性行为，见图7(b)的红色虚线引导线。该温度计的电阻在低温下从指数变化到幂指数变化的转变，使得其在极低温下的电阻也不会很大。一般低温系统中常用的极低温温度计(氧化钌)在10mK下的电阻往往超过1兆欧。如果温度更低，该温度计就基本失效了，因为兆欧级电阻的探测误差很大且不准。而本发明的温度计电阻在10mK下比较小，据本次测量的情况估计，约只有3千多欧，参照图7(b)的变化趋势。按照该温度计的变化趋势，到达1兆欧的温度可能是10^-15K，当然通用的稀释制冷机和核绝热去磁制冷机是达不到这个温度的。

此外，图9示出了本发明实施例4拓扑型温度计随厚度和栅极电压调控的灵敏度响应关系图；其中，图(a-g)示出了Ta₂Pd₃Te₅的几个典型厚度下的温度电阻响应关系，其中其低温幂次率响应的起始温度随厚度的变化关系见图(h)；图(i)示出了该温度计随栅极电压变化的温度电阻响应关系；图(j)示出了该温度计随栅极电压变化的灵敏度(α，R～T^α)响应关系。

如图9所述，该温度计在低温下发生幂次率的温度T₁和α会随Ta₂Pd₃Te₅的厚度发生变化。这可以进一步满足不同低温系统的低温温度响应灵敏度需求。除了控制厚度来调节低温响应灵敏度，还可以通过调节栅极电压实现这一功能，见图9(i，j)。总之，本温度计可以通过控制Ta₂Pd₃Te₅的厚度和其器件的栅极电压等调控手段实现低温温度测量的灵敏度响应控制，从而满足不同低温系统条件下的温度测定需求。

随着技术的发展，不同类型的低温系统的应用越来越广，商用制冷机的最低温度必然会越来越低，本发明在不同类型极低温系统中的温度测定方面将发挥出其独有的优势。

实施例5

本实施例用来说明测量环境温度的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)每个新的温度计都首先需要较准，即获得该温度计的温度工作曲线。方法是：在已标定温度的低温测量系统中，测量该温度计的电阻随温度的关系，该过程中需注意控制变温速率以便获得较为准确的温度电阻关系。

(2)将该温度计置于导热较好的所需测量位置，并用低温胶等将其固定住。

(3)用四引线法连接该温度计与电源表和纳伏表等高精度电信号测量设备，以获得较好信噪比的测量结果。

(4)测量得到温度计的电阻值，并通过第一步(1)中标定的温度电阻关系计算得到所测量环境的温度值。

尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

Claims (10)

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，其特征在于，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：

(3)将步骤(1)中生长的热敏单晶响应材料块体固定在衬底上，并将电极引线的一端黏在衬底上；

(4)将电极引线的另一端按顺序分别连在固定在衬底上的热敏单晶响应材料块体上并涂上导电胶；和

(5)涂抹保护胶并封装拓扑型温度计，即得所述基于块体热敏响应材料的温度计；

优选地，所述步骤(3)中，所述固定在衬底上和黏上电极引线所使用的胶为低温胶；

优选地，所述步骤(4)中，将电极引线连在样品上使用的方法为四引线法；和/或

优选地，封装前后，所述电极引线应与所述热敏单晶响应材料块体电学接触良好。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当拓扑型温度计为所述基于薄层热敏响应材料的温度计时，制备方法包括以下步骤：

(6)制备薄层样品；

(7)通过微纳加工的方法制备所述基于薄层热敏响应材料的温度计。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述步骤(6)中，所述薄层样品的制备方法选自以下一种或多种：胶带解离、PDMS解离、化学气相输运法、分子束外延法、脉冲激光沉积法，优选为胶带解离、PDMS解离；和/或

所述步骤(7)中，所述微纳加工的方法制备所述基于薄层热敏响应材料的温度计包括以下：

(c)在步骤(6)的基础上，将薄层样品转移到绝缘衬底上，旋涂光刻胶，根据电极图案对光刻胶进行曝光、显影和定影；

(d)在步骤(c)显影的电极图案上蒸镀测量电极、漏电极和源电极，再去除光刻胶；和

(e)在整个衬底上旋涂光刻胶，将焊盘进行曝光、显影和定影，即得所述基于薄层热敏响应材料的温度计；

优选地，所述步骤(d)中，所述测量电极、漏电极和源电极上均设有用于键合引线以与外部设备连接的焊盘；和/或所述测量电极的数量为大于等于两个。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的拓扑型温度计在制备用于测量广泛环境温度的设备中的应用，其中：

所述广泛环境温度范围为0.0001K～330K，优选为0.001K～300K；和/或

所述广泛环境温度范围包括高温温度范围和/或极低温温度范围，其中所述高温温度范围为50～300K，优选为80～300K，更优选为100～300K；和/或所述极低温温度范围为5k以下，优选为2k以下，更优选为0.1K以下。

10.一种测量环境温度的方法，其特征在于，所述方法包括使用根据权利要求1至4中任一项所述的拓扑型温度计；

优选地，所述方法包含以下步骤：

(A)校准所述拓扑型温度计并获得其温度工作曲线；

(B)将所述拓扑型温度计的引线或焊盘与外部源表连接，通过源表输入电流信号并读取温度计的电压信号的方式得到所述拓扑型温度计的电阻；和

(C)根据步骤(A)获得的温度工作曲线，计算得到所测量环境的温度值；其中：

进一步优选地，所述步骤(A)中，获得温度工作曲线的步骤为：在已标定温度的低温测量系统中，测量所述拓扑型温度计的电阻随温度的关系，并控制变温速率以便获得较为准确的温度电阻关系；和/或

进一步优选地，所述步骤(B)中，所述源表选自以下一种或多种电信号测量设备：电源表、纳伏表、数字锁相放大器。

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