[发明专利]微尺度样品的热电势测量电路、平台及方法

说明书

本发明实施例公开了一种微尺度样品的热电势测量电路、平台及方法。所述电路包括：交流电流源、直流电流源、锁相放大器以及矩阵开关。所述交流电流源用于驱动加热器，在样品两端产生交流变化的温差，以产生交流热电电压信号；所述直流电流源向电阻温度计中通入直流电流；所述锁相放大器﹑直流电流源和矩阵开关相配合，依次检测所述交流热电电压信号的幅度、相位，以及两个电阻温度计产生的电压波动信号的幅度和相位。本发明实施例提供的微尺度样品的热电势测量电路、平台及方法根据所述电压波动信号的幅度和相位，计算出样品的热电势。

技术领域

本发明实施例涉及热电材料测量技术领域，尤其涉及一种微尺度样品的热电势测量电路、平台及方法。

背景技术

热电势测量是凝聚态物理和材料领域里的一个重要表征手段，可以用来反映材料的热电传输性能和材料在费米能级附近的电子结构。从测量角度而言，热电势测量涉及在样品两端形成一个小的温度梯度，并测量样品两端的温差和相应产生的热电电压，如何准确地测量上述温差是测量过程中的一个关键环节。对于宏观材料而言，其两端的温差一般采用热电偶测量，相对比较简单，但对于纳米带或者纳米线等微尺度样品而言，热电势的测量则较具有挑战性，为了开展测量，通常在承载有这类样品的衬底上采用微加工方法制作一套微电极，包括一组位于微尺度样品一端、不与其接触的加热器，和两组平行设置的、与微尺度样品接触的微电阻温度计。图1示出了现有的热电势测量中采用的微电极构型。参见图1，每个电阻温度计由四个接线端组成，外侧的两个为电流输入端，内侧的两个为电压测量接线端。电阻温度计不仅用来测量温差，还被用来引出热电电压信号。采用这种测量构型，样品的热电势可以采用如下方式获得：在样品两端形成不随时间变化的几组稳定温差ΔT，测量相应的热电电压ΔU，将ΔU对ΔT作图，从拟合的斜率计算热电势。该方法可以被称作稳态测量法。虽然比较简便，但是操作起来比较耗时。作为改进，现有技术(等人，Large thermoelectricity via variable range hopping in chemical vapordeposition grown single-layer MoS₂，Nano Lett.2014,14:2730-2734)在微加热器中通入频率为ω的低频交流电，在样品两端可以由锁相放大器测量到频率为2ω的交流热电压信号ΔV_TEP，由下面的公式得到热电势：

S＝-ΔV_TEP/ΔT (1)

其中，ΔV_TEP表示所述热电压信号，ΔT表示温差，S为最终得到的样品表观热电势。

等人描述了获取温差的方法：在施加交流加热电流的时候，分别测量两个微电阻温度计的电阻，根据两个电阻温度计的标定曲线，分别确定在两个微电阻温度计处的温升，再将两个微电阻温度计处的温升作差，求得温差。

事实上，我们注意到当交流加热样品一端的时候，两个微电阻温度计处的温度变化包括直流温升和交流温度波动，其中交流温度波动信号的频率也是2ω，但该交流信号在两个电阻温度计处具有不同的幅度|T_x|和相位φ_x(x＝1，2，分别代表高温端和低温端的微电阻温度计)，两个电阻温度计之间的温差信号也包括直流部分温差ΔT_DC和频率为2ω的交流部分温差|T_Δ|，相应地热电电压信号也包括直流分量和交流分量。当采用交流法测量热电势的时候，式(1)的分子上采用交流热电电压信号的幅度，分母上也需要相应地采用交流温差信号的幅度|T_Δ|，另外，|T_Δ|不是简单的高温端电阻温度计和低温端电阻温度计处的交流温度波动信号幅度之差|T₁|-|T₂|，|T_Δ|不仅与|T₁|和|T₂|有关，也与相位φ₁和φ₂有关，也就是说，为了获取温差信号的幅度|T_Δ|，需要预先知道每个电阻温度计处的温度波动的幅度|T_X|和相位φ_X。