AFM热学测量

热学测量

目前，微纳米尺度下的热物性研究受到了极大的挑战：一方面，许多热物性的基础概念性问题不清楚，如微观尺度下非平衡态的温度如何定义等；另一方面，传统测试系统由于自身精度限制，很多热物性参数都无法直接测量，因此，无论是微纳尺度下热传导等的理论机制研究，还是微纳电子学和能源器件中的热传导、热耗散、热转换以及新型纳米结构热电材料等应用领域的研究，都迫切需要发展出一种能够在微纳米尺度上测量与表征材料热物性的实验手段。

将原子力显微术与热学功能化(测温、加热等)微悬臂探针技术结合的扫描热显微术(scanning thermal microscopy，SThM)，可以实现微纳米尺度下的热物性测量(包括局域温度、热导、原子尺度热耗散等)。SThM的技术核心是将温度测量元件如热电偶或电阻型温度传感器(如铂电阻)等，通过复杂的微加工技术集成到AFM微悬臂探针上并通过外部电子学部分实现温度测量。通过将加热元件集成在微悬臂探针上，则可制成纳米级的“热源”探针，实现局域加热控温功能，即高温加热型AFM(high temperature AFM，HT-AFM)，如图2 所示。目前，HT-AFM 通常利用的是微悬臂尖端的局域低掺杂技术，其加热升温速率最高可达600000 ℃/min，最高温度可达1000 ℃，为了确定高温热源探针的温度，每个探针都需要仔细校准。HT-AFM 技术还可以用于研究非均匀样品的局域物化性质，例如共聚物或纳米复合材料的局域相变(玻璃化、结晶化等)温度等。进一步将导电探针技术与热学探针技术相结合，可以实现与温度依赖的电学性质研究，如纳米结构材料的热电性质，原子/分子尺度的电热转换等[6]。对微纳米尺度的热效应进行利用，可以为微纳米尺度研究提供新的维度和平台，如利用HT-AFM能够将样品局域加热升华脱附的特点，进一步与质谱(mass spectroscopy，MS)技术相结合， 将可以在大气环境下实现微纳米尺度的样品成分分析，非常值得关注[7]。