AFM熱學測量

熱學測量

目前，微納米尺度下的熱物性研究受到了極大的挑戰：一方面，許多熱物性的基礎概念性問題不清楚，如微觀尺度下非平衡態的溫度如何定義等；另一方面，傳統測試系統由于自身精度限制，很多熱物性參數都無法直接測量，因此，無論是微納尺度下熱傳導等的理論機制研究，還是微納電子學和能源器件中的熱傳導、熱耗散、熱轉換以及新型納米結構熱電材料等應用領域的研究，都迫切需要發展出一種能夠在微納米尺度上測量與表征材料熱物性的實驗手段。

將原子力顯微術與熱學功能化(測溫、加熱等)微懸臂探針技術結合的掃描熱顯微術(scanning thermal microscopy，SThM)，可以實現微納米尺度下的熱物性測量(包括局域溫度、熱導、原子尺度熱耗散等)。SThM的技術核心是將溫度測量元件如熱電偶或電阻型溫度傳感器(如鉑電阻)等，通過復雜的微加工技術集成到AFM微懸臂探針上并通過外部電子學部分實現溫度測量。通過將加熱元件集成在微懸臂探針上，則可制成納米級的“熱源”探針，實現局域加熱控溫功能，即高溫加熱型AFM(high temperature AFM，HT-AFM)，如圖2 所示。目前，HT-AFM 通常利用的是微懸臂尖端的局域低摻雜技術，其加熱升溫速率最高可達600000 ℃/min，最高溫度可達1000 ℃，為了確定高溫熱源探針的溫度，每個探針都需要仔細校準。HT-AFM 技術還可以用于研究非均勻樣品的局域物化性質，例如共聚物或納米復合材料的局域相變(玻璃化、結晶化等)溫度等。進一步將導電探針技術與熱學探針技術相結合，可以實現與溫度依賴的電學性質研究，如納米結構材料的熱電性質，原子/分子尺度的電熱轉換等[6]。對微納米尺度的熱效應進行利用，可以為微納米尺度研究提供新的維度和平臺，如利用HT-AFM能夠將樣品局域加熱升華脫附的特點，進一步與質譜(mass spectroscopy，MS)技術相結合， 將可以在大氣環境下實現微納米尺度的樣品成分分析，非常值得關注[7]。