[发明专利]一种原位热电性能测试装置、制备方法及系统

说明书

本发明实施例提供一种原位热电性能测试装置、制备方法及系统，在包括中空结构的基底上依次设有器件层和功能层，功能层和器件层中设有贯穿功能层和器件层并与中空结构连通的长槽；功能层的上表面位于长槽的两侧分别设有对称的第一加热电阻和第二加热电阻，能对样品的两端分别进行独立的温度控制；器件层中，第一加热电阻下方设有第一方形微孔，在第二加热电阻下方设有第二方形微孔，使得加热高温能聚集在装置的中空加热区域，降低装置功率；通过测量样品两端的电势差和样品的电阻率，可获取样品的塞贝克系数以及电导率随温度的变化情况，将样品的微纳米结构与测得的热电性能参数变化对应，可获取样品的微纳米结构与热电性能参数变化的直接关系。

技术领域

本发明实施例涉及半导体测试技术领域，尤其涉及一种原位热电性能测试装置、制备方法及系统。

背景技术

能源是经济发展、人类物质活动的基础，随着工业水平不断提高，人们对能源的需求也日益增长。由于化石能源的过度开采和利用引发了能源危机还有空气污染等环境问题，因此开发清洁、高效的能量转化方式成为科研工作者的焦点。热电材料，也称温差电材料，是一种新型的功能材料，可以利用塞贝克效应、帕尔贴效应实现热能与电能之间的相互转化，利用热电材料制作的半导体温差发电器具有结构简单、清洁、性能可靠等优点。

当热电材料用来制作温差发电器时，其主要利用的是塞贝克效应，塞贝克效应的基本原理为：当两种不同导体构成闭合回路时，若一端连接处闭合且置于高温T2，另一端连接处为开路且置于低温T1，就会在冷端产生温差电动势ΔV，其中ΔV＝S·ΔT＝S·(T1-T2)，且在回路中有电流流过；S为塞贝克系数，由材料自身的电子能带结构所决定。热电材料温差发电器在使用时存在一定局限性，因为其热电转换效率不够高。热电转换效率与热电优值成正相关，热电优值可表述为：ZT＝S2σ/κ，其中S、σ、κ分别为材料的塞贝克系数、电导率和热导率。为获得高的ZT值需要高的塞贝克系数、高的电导率以及低的热导率，这三个参数的大小取决于材料的电子结构以及载流子的运输和散射情况，很难进行独立调控。研究者开发了重元素掺杂、降低材料维度、研发纳米复合热电材料等技术手段，以提高材料的热电优值。在微米、纳米尺度甚至原子尺度研究热电材料的物理性能调控行为，阐明微观结构对塞贝克系数、电导率的影响机理，将为新型、高性能热电材料的研发提供科学依据。

另外，透射电镜具有超高的空间和信息分辨率，可以实现对材料的结构、成分和价态等物理、化学信息的高分辨解析。发展基于透射电子显微镜的原位显微结构—热电性能一体化测量、表征技术和方法，实现样品两端温差的设定、电学信号的测量，同时实现显微结构的高空间分辨率表征，将极大地提升新型高性能热电材料的研发效率。

目前，在透射电子显微镜中实现材料显微结构-热电性能一体化表征和测量，要求原位热电性能测试实验平台能够同时实现对样品两端温度的分别控制及电学信号测量。国内外多家企业和科研单位研发了不同类型的原位实验平台。荷兰Dens Solution公司研发了wildfire系列与lightning系列透射电镜样品杆，采用MEMS芯片加热方式，分别实现了最高1300℃的温度加载和温度、电压加载及测量。同时美国Protochips公司研发的Fusion系列透射电镜样品杆也采用的同样的方式。美国Gatan公司研发了628型、652型样品杆，采用坩埚加热的方式，分别可在透射电镜中实现室温到1300℃和1000℃，同时最多可引出6个电极实现电学信号的加载与测量。但是，不管是Dens solution、Protochips还是Gantan公司研发的样品杆都仅能加载均匀的温度场，测量样品电导率随温度变化曲线，并不能测量材料的塞贝克系数。美国Hysitron公司和中科院物理研究所白雪冬教授课题组研发了扫描探针式电学样品杆，但其仅能实现两电极法测量材料的电导率，不具备温度场加载的能力，因此该平台虽然均能实现材料的微观结构演变表征，但是不能实现热电材料塞贝克系数、热导率参数测量。