JP7270185B2 - Temperature gradient forming device and Seebeck coefficient calculation method - Google Patents
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Description
本発明は、温度勾配形成装置およびゼーベック係数算出方法に関する。 The present invention relates to a temperature gradient forming device and a Seebeck coefficient calculation method.
今日、ナノ材料をキーワードとした材料分野において、ナノスケールの分解能により材料を評価するための技術が求められている。例えば、ナノスケールのサーマルマネージメントを研究する分野においては、熱電材料の熱の伝わり方を局所的に研究することが求められている。 Today, in the field of materials with nanomaterials as a keyword, there is a demand for techniques for evaluating materials with nanoscale resolution. For example, in the field of research on nanoscale thermal management, it is required to study how heat is transferred locally in thermoelectric materials.
従来、例えば非特許文献1には、ナノスケールの熱電材料のゼーベック係数を計測するための技術が開示されている。
Conventionally, for example, Non-Patent
上述したとおり、熱電材料の局所的な熱的物性、例えば、熱電材料の電圧分布および温度分布は、熱電材料を開発するためには必要な情報となる。非特許文献1の技術は、加熱側と放熱側において、それぞれの領域で温度が一定である2点間の電位差を測定対象としており、この2点間から全体としてのゼーベック係数を求めているに過ぎない。すなわち、測定対象の局所的な熱的物性(物性の分布)を得るための装置や方法は、非特許文献1には開示されていない。
As described above, the local thermal properties of a thermoelectric material, such as the voltage distribution and temperature distribution of the thermoelectric material, provide necessary information for developing thermoelectric materials. The technique of Non-Patent
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、測定対象の局所的な熱的物性を得ることができる温度勾配形成装置およびゼーベック係数算出方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a temperature gradient forming apparatus and a Seebeck coefficient calculation method capable of obtaining local thermal properties of an object to be measured.
本発明に係る温度勾配形成装置は、上述した課題を解決するために、走査型プローブ顕微鏡の走査対象である測定物質を有する試料であって、加熱領域と、冷却領域と、前記加熱領域と前記冷却領域との間に配置され少なくとも前記走査型プローブ顕微鏡の走査範囲に対応して前記測定物質が露出した温度遷移領域と、を有する試料と、前記試料を前記走査型プローブ顕微鏡に対して保持し、前記試料の温度遷移領域に局所的に温度勾配を形成する試料ホルダと、前記試料の前記温度遷移領域の前記走査型プローブ顕微鏡による走査結果に基づいて局所ゼーベック係数を算出する演算部と、を備え、前記試料ホルダは、前記加熱領域および前記冷却領域の少なくとも一部をそれぞれ保持する熱伝導性を有する支持具と、前記加熱領域を保持する前記支持具を加熱する加熱装置と、前記冷却領域を保持する前記支持具を冷却する冷却装置と、を備え、前記演算部は、前記加熱装置および前記冷却装置により前記加熱領域側と前記冷却領域側との間の前記温度遷移領域に形成された前記温度勾配の方向および前記温度勾配を取得し、前記試料の前記温度遷移領域の前記走査型プローブ顕微鏡による走査結果に基づいて熱起電圧分布を取得し、前記温度遷移領域を一定区画ごとに分割し、前記熱起電圧分布から各前記区画内の熱起電圧の平均値を算出し、前記温度勾配の方向に関して隣接する前記区画間の前記熱起電圧の平均値から、前記隣接する区画間の電圧勾配を算出し、前記隣接する区画間の前記温度勾配および前記電圧勾配に基づいて、局所ゼーベック係数を算出する。 In order to solve the above-described problems, a temperature gradient forming apparatus according to the present invention is a sample having a substance to be measured, which is a scanning target of a scanning probe microscope, and comprises a heating region, a cooling region, the heating region and the a cooling region and a temperature transition region in which the substance to be measured is exposed at least corresponding to the scanning range of the scanning probe microscope; and holding the sample against the scanning probe microscope. a sample holder that locally forms a temperature gradient in the temperature transition region of the sample; and a computing unit that calculates a local Seebeck coefficient based on the scanning result of the temperature transition region of the sample by the scanning probe microscope. The sample holder comprises a thermally conductive support holding at least a part of each of the heating region and the cooling region, a heating device for heating the support holding the heating region, and the cooling region. and a cooling device that cools the support that holds the arithmetic unit is formed in the temperature transition region between the heating region side and the cooling region side by the heating device and the cooling device The direction of the temperature gradient and the temperature gradient are obtained, the thermoelectromotive voltage distribution is obtained based on the scanning result of the temperature transition region of the sample by the scanning probe microscope, and the temperature transition region is divided into certain sections. Then, from the thermoelectromotive voltage distribution, the average value of the thermoelectromotive voltages in each of the sections is calculated, and from the average value of the thermoelectromotive voltages between the adjacent sections with respect to the direction of the temperature gradient, A voltage gradient is calculated, and a local Seebeck coefficient is calculated based on the temperature gradient and the voltage gradient between the adjacent compartments .
さらに、本発明に係るゼーベック係数算出方法は、走査型プローブ顕微鏡の走査対象である測定物質を有する試料であって、加熱領域と、冷却領域と、前記加熱領域と前記冷却領域との間に配置され少なくとも前記走査型プローブ顕微鏡の走査範囲に対応して前記測定物質が露出した温度遷移領域と、を有する試料と、前記試料を前記走査型プローブ顕微鏡に対して保持し、前記試料の温度遷移領域に局所的に温度勾配を形成する試料ホルダと、前記試料の前記温度遷移領域の前記走査型プローブ顕微鏡による走査結果に基づいて局所ゼーベック係数を算出する演算部と、を備え、前記試料ホルダは、前記加熱領域および前記冷却領域の少なくとも一部をそれぞれ保持する熱伝導性を有する支持具と、前記加熱領域を保持する前記支持具を加熱する加熱装置と、前記冷却領域を保持する前記支持具を冷却する冷却装置と、を備える温度勾配形成装置を準備する工程と、前記加熱装置および前記冷却装置により前記加熱領域側と前記冷却領域側との間の前記温度遷移領域に温度勾配を形成する工程と、前記温度勾配の方向および前記温度勾配を取得する工程と、前記試料の前記温度遷移領域の前記走査型プローブ顕微鏡による走査結果に基づいて熱起電圧分布を取得する工程と、前記温度遷移領域を一定区画ごとに分割し、前記熱起電圧分布から各前記区画内の熱起電圧の平均値を算出する工程と、前記温度勾配の方向に関して隣接する前記区画間の前記熱起電圧の平均値から、前記隣接する区画間の電圧勾配を算出する工程と、前記隣接する区画間の前記温度勾配および前記電圧勾配に基づいて、局所ゼーベック係数を算出する工程と、を備える。 Further, in the method for calculating the Seebeck coefficient according to the present invention, a sample having a substance to be measured which is a scanning target of a scanning probe microscope, is a heating region, a cooling region, and arranged between the heating region and the cooling region. a temperature transition region where the substance to be measured is exposed corresponding to at least the scanning range of the scanning probe microscope; and the sample is held against the scanning probe microscope and the temperature transition region of the sample is and a computing unit that calculates a local Seebeck coefficient based on the result of scanning the temperature transition region of the sample by the scanning probe microscope, wherein the sample holder is A thermally conductive support holding at least a part of each of the heating region and the cooling region, a heating device heating the support holding the heating region, and the support holding the cooling region. a cooling device for cooling; and forming a temperature gradient in the temperature transition region between the heating region side and the cooling region side by the heating device and the cooling device. obtaining the direction of the temperature gradient and the temperature gradient; obtaining a thermoelectromotive voltage distribution based on the scanning result of the temperature transition region of the sample by the scanning probe microscope; and the temperature transition region. is divided into certain sections, calculating the average value of the thermoelectromotive voltage in each section from the thermoelectric voltage distribution; and and calculating a local Seebeck coefficient based on the temperature gradient and the voltage gradient between the adjacent compartments.
さらに、本発明に係るゼーベック係数算出方法は、前記温度勾配形成装置を準備する工程と、前記加熱装置および前記冷却装置により前記加熱領域側と前記冷却領域側との間の前記温度遷移領域に温度勾配を形成する工程と、前記温度勾配の方向および前記温度勾配を取得する工程と、前記試料の前記温度遷移領域の前記走査型プローブ顕微鏡による走査結果に基づいて熱起電圧分布を取得する工程と、前記温度遷移領域を一定区画ごとに分割し、前記熱起電圧分布から各前記区画内の熱起電圧の平均値を算出する工程と、前記温度勾配の方向に関して隣接する前記区画間の前記熱起電圧の平均値から、前記隣接する区画間の電圧勾配を算出する工程と、前記隣接する区画間の前記温度勾配および前記電圧勾配に基づいて、局所ゼーベック係数を算出する工程と、を備える。 Further, the Seebeck coefficient calculation method according to the present invention includes the steps of: preparing the temperature gradient forming device; forming a gradient, obtaining the direction of the temperature gradient and the temperature gradient, and obtaining a thermoelectromotive voltage distribution based on the scanning result of the temperature transition region of the sample by the scanning probe microscope. a step of dividing the temperature transition region into certain sections and calculating an average value of the thermoelectromotive voltage in each section from the thermoelectric voltage distribution; calculating a voltage gradient between the adjacent sections from the average electromotive voltage; and calculating a local Seebeck coefficient based on the temperature gradient and the voltage gradient between the adjacent sections.
本発明に係る温度勾配形成装置およびゼーベック係数算出方法においては、測定対象の局所的な熱的物性を得ることができる。 In the temperature gradient forming device and Seebeck coefficient calculation method according to the present invention, it is possible to obtain the local thermal properties of the object to be measured.
本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、走査型プローブ顕微鏡用試料ホルダの一実施形態を示す概略的な説明図である。 FIG. 1 is a schematic explanatory diagram showing one embodiment of a sample holder for a scanning probe microscope.
図2は、図1のII-II線に沿う断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II--II of FIG.
走査型プローブ顕微鏡用試料ホルダ1(以下単に「ホルダ1」という)は、支持具2と、土台3と、加熱装置4と、冷却装置5と、を主に有している。
A scanning probe microscope sample holder 1 (hereinafter simply referred to as “
支持具2は、走査型プローブ顕微鏡によって走査(測定)を行う対象の試料20を保持する。支持具2は、加熱装置4から試料20への加熱、および試料20から冷却装置5への吸熱に伴う熱伝達のため、試料20との密着性および熱伝導性を確保し、十分な熱容量も有する構造を有する。支持具2は、熱伝導性を有する材料であって、例えば銅やステンレスに代表される金属を主体とし、アルミニウム箔やインジウム箔などと複合化された材料により構成される。支持具2は、図2に示すように、試料20の一辺側と、この一辺と対向する他辺側から垂直および水平方向に関して挟み、走査対象となる試料20の中央部20a(図3の測定可能領域28)が露出するように支持する。支持具2は、試料20を固定、支持する役割に加えて、各々の支持具2に固定された試料領域の温度を均一化する役割がある。支持具2は、加熱側支持具2aと、冷却側支持具2bと、を有する。加熱側支持具2aは、試料20の加熱領域25(後述)側を保持する。冷却側支持具2bは、試料20の冷却領域26(後述)側を支持する。
The support 2 holds a
土台3は、ホルダ1全体の土台となる部材であり、図示下方から順次積層された加熱装置4、高熱伝導板6および断熱板7、ならびに支持具2を支持する。土台3は、例えばジルコニアに代表されるセラミックなどの断熱性を有する材料からなる。
The
加熱装置4は、例えばセラミックヒータやペルチェ素子などであり、加熱側支持具2aを加熱する。加熱装置4は、土台3と支持具2との間に配置され、土台3の外形と同様の外形を有する板状に形成されている。加熱装置4上には、高熱伝導板6および断熱板7が配置されている。
The
高熱伝導板6は、例えば銅に代表される金属やシリコンなど熱伝導率の高い材料からなる板材である。高熱伝導板6は、試料20の加熱領域25を固定している支持具2aの直下に配置されている。これにより、加熱装置4は、高熱伝導板6を介して加熱側支持具2aおよび試料20の加熱領域25と熱的に接続されている。断熱板7は、例えば、フッ化マグネシウムなどのフッ化物結晶、ガラス、またはジルコニアに代表されるセラミックなどの断熱性を有する材料からなる板材である。断熱板7は、試料20のうち、冷却領域26側を保持している冷却側支持具2bの直下に配置されている。これにより、加熱装置4は、加熱側支持具2aを介して試料20の加熱領域25とは熱的に接続され加熱領域25を加熱する一方、断熱板7により支持具2bとは熱的に遮断され、冷却領域26を加熱しない。
The high
冷却装置5は、例えば液体窒素を収容するクライオスタットであり、冷却側支持具2bを冷却する。冷却装置5は、例えば銅リボンなどの熱伝導率が高く、柔軟性に優れた接続部材8を有している。この接続部材8は、冷却側支持具2bと留め具9により固定されることにより、冷却側支持具2bと冷却装置5と、を熱的に接続している。これにより、冷却装置5は、冷却側支持具2bを介して試料20の冷却領域26とは熱的に接続され冷却領域26を冷却する一方、断熱板7により支持具2b以外とは熱的に遮断され、加熱領域25を冷却しない。
The
加熱装置4および冷却装置5は、試料20の加熱領域25と、冷却領域26との間の温度遷移領域27(後述)に温度勾配を形成する。すなわち、支持具2で固定された試料20の表面(水平面)には、加熱装置4により加熱される加熱領域25と、冷却装置5により冷却される冷却領域26と、この加熱領域25と冷却領域26とに挟まれた温度遷移領域27とが形成される。ここで、ゼーベック係数測定に必要な感度を確保するためには、遷移領域の温度差を200度以上にすることが好ましい。そのため、加熱装置4は、例えば室温~200度以上の範囲で加熱し得る性能を有するものを適用するのが好ましい。冷却装置5は、例えば-150度以下~室温の範囲で冷却し得る性能を有するものを適用するのが好ましい。これにより、加熱領域25と冷却領域26との間の試料20の温度遷移領域27において、200度以上の大きな温度差を実現できる。
次に、試料20および走査型プローブ顕微鏡の一例について説明する。
Next, an example of the
図3は、走査型プローブ顕微鏡の走査対象となる試料20の説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of the
試料20は、基板21と、測定物質22と、高熱伝導金属薄膜23と、を有する。基板21は、測定物質22を形成するための基材である。測定物質22は、基板21の一方の面に形成され、ゼーベック係数を算出する対象となる熱電材料である。高熱伝導金属薄膜23(高熱伝導膜)は、例えば金であり、基板21と対向する面とは反対の測定物質22の面に形成される。高熱伝導金属薄膜23は、測定物質22の一辺側およびこの一辺と対向する他辺側に一定の間隔を開けて形成される。これにより、高熱伝導金属薄膜23は、加熱領域25、冷却領域26および温度遷移領域27の形成に寄与する。
A
一般的に、走査型プローブ顕微鏡の走査可能範囲は一辺100μm以内と狭い。本実施形態における走査型プローブ顕微鏡は、この測定範囲内でゼーベック効果に伴う熱起電圧分布を十分な感度で測定する必要がある。このため、走査型プローブ顕微鏡の走査幅程度、またはそれからやや広げた距離以内において測定物質22に対して、均一で大きな温度勾配を与える必要がある。
Generally, the scannable range of a scanning probe microscope is as narrow as 100 μm or less per side. The scanning probe microscope in this embodiment must measure the thermoelectromotive voltage distribution associated with the Seebeck effect within this measurement range with sufficient sensitivity. Therefore, it is necessary to give a uniform and large temperature gradient to the
高熱伝導金属薄膜23は、高熱伝導金属薄膜23で覆われた領域の直下にある測定物質22の温度を均一化する役割がある。よって、加熱領域25は、加熱側支持具2aに保持され、高熱伝導金属薄膜23で覆われる測定物質22上の領域に形成される。冷却領域26は、冷却側支持具2bに保持され、高熱伝導金属薄膜23で覆われる測定物質22上の領域に形成される。
The high heat conductive metal
温度遷移領域27は、試料20のうち高熱伝導金属薄膜23で覆わずに測定物質22が露出した、加熱領域25および冷却領域26以外の領域に形成される。また、走査型プローブ顕微鏡による測定可能領域28は、高熱伝導金属薄膜23で覆われることなく露出する測定物質22の表面となる。この測定可能領域28は、支持具2からも露出している。温度遷移領域27は、高熱伝導金属薄膜23で覆われていないため、この温度遷移領域27にのみ温度勾配ができる。温度遷移領域27を走査可能範囲程度の狭い範囲に限定することは、測定物質22に対して短い距離で大きな温度差を与える、つまり大きな温度勾配を与える上で、重要である。
A temperature transition region 27 is formed in a region of the
図4は、走査型プローブ顕微鏡の一例である周波数検出方式ケルビンプローブ原子間力顕微鏡30の説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a frequency detection Kelvin probe
周波数検出方式ケルビンプローブ原子間力顕微鏡30(以下単に、「FM-KFM(Frequency-Modulation Kelvin-probe force Microscopy)30」という)は、ケルビンプローブ原子間力顕微鏡の一例であり、図4に示すとおりの公知の装置構成を有する。FM-KFM30は、導電性のカンチレバー31により試料20の形状を測定するとともに、カンチレバー31と試料20の間に交流電圧を印加し、探針32と試料20との間に働く静電気力を検出することにより、試料20の表面(測定可能領域28)の電位を測定する。ホルダ1は、FM-KFM30のベース33に搭載されたスキャナー34に、試料20を保持した状態で設置される。FM-KFM30による測定の際、温度勾配を与えるために液体窒素などを用いてかなりの低温で冷却する場合には、走査は、例えば10-4Paの真空中で行われる。
A frequency detection type Kelvin probe atomic force microscope 30 (hereinafter simply referred to as "FM-KFM (Frequency-Modulation Kelvin-probe force Microscopy) 30") is an example of a Kelvin probe atomic force microscope, as shown in FIG. has a known device configuration. The FM-
ベース33は、FM-KFM30全体としての土台となる、構造的に固定された不動部分である。スキャナー34は、ベース33に搭載されており、走査をするためのアクチュエーターである。また、スキャナー34上には、試料台(図示せず)が設置され、この試料台上にホルダ1が設置される。なお、図4においては走査中に試料20を動かすスキャナー34を有する例が示されているが、走査中に試料20は不動とし、カンチレバー31をスキャナーで駆動させてもよい。また、図1、図2、および後述する図8から図12において説明する冷却装置5、105、および加熱兼冷却装置210は、上述したスキャナ-34(試料台)上ではなく、FM-KFM30の不動部分であるベース33上に配置される。
The
次に、ゼーベック係数の算出方法について説明する。ゼーベック係数は、FM-KFM30を用いた走査結果に基づく熱起電圧分布導出処理、および局所ゼーベック係数導出処理を実施することにより算出される。図5から図7で説明する熱起電圧分布導出処理および局所ゼーベック係数導出処理に含まれる演算処理は、例えばこれらの演算処理を実行可能なプログラムをコンピュータで実行することにより実現可能である。 Next, a method for calculating the Seebeck coefficient will be described. The Seebeck coefficient is calculated by performing thermoelectromotive voltage distribution derivation processing and local Seebeck coefficient derivation processing based on scanning results using FM-KFM30. Arithmetic processing included in the thermoelectromotive voltage distribution derivation processing and the local Seebeck coefficient derivation processing described in FIGS. 5 to 7 can be realized, for example, by executing a program capable of executing these computational processing on a computer.
図5は、熱起電圧分布導出処理を説明するフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart for explaining the thermoelectromotive voltage distribution deriving process.
ステップS1において、測定物質22(試料20)に温度勾配を形成した状態で測定物質22の表面電位分布A(温度勾配時表面電位分布)を取得する。具体的には、ホルダ1(FM-KFM30)の加熱装置4および冷却装置5により、支持具2を介して試料20と熱伝達を行うことで、試料20のうち測定可能領域28に温度勾配を形成する。このとき、試料20上に形成される加熱領域25と冷却領域26との温度差を、例えば100度以上に設定する。このようにして温度勾配を形成した後、試料20の測定可能領域28において、FM-KFM30により表面電位分布を取得する。
In step S1, the surface potential distribution A (surface potential distribution during temperature gradient) of the measurement substance 22 (sample 20) is obtained while a temperature gradient is formed in the measurement substance 22 (sample 20). Specifically, the
ステップS2において、測定物質22の温度を均一にした状態で測定物質22の表面電位分布(温度均一時表面電位分布)を取得する。具体的には、FM-KFM30の加熱装置4および冷却装置5を動作させることなく、温度勾配がない状態で、測定物質22の測定可能領域28において、FM-KFM30により表面電位分布を取得する。
In step S2, the surface potential distribution of the measurement substance 22 (surface potential distribution at uniform temperature) is obtained while the temperature of the
ステップS3において、ステップS1で取得した温度勾配形成時の表面電位分布Aおよび温度均一時の表面電位分布Bに基づいて、測定物質22の温度勾配形成の有無による電位変化を求めることにより、熱起電圧分布V(x,y)を取得する。具体的には、測定可能領域28の各点において温度勾配形成時の表面電位と温度均一時の表面電位の差から、温度勾配の形成によりゼーベック効果により生じた純粋な電位変化を、熱起電圧として算出する。例えば10μm×10μmの測定可能領域28(走査範囲)を256×256ピクセルで定義する。熱起電圧分布V(x,y)は、その各ピクセル点の熱起電圧の値、または数ピクセル四方ごとに平均化した熱起電圧の値の分布により取得される。以上で熱起電圧分布導出処理は終了し、局所ゼーベック係数導出処理に進む。
In step S3, based on the surface potential distribution A when the temperature gradient is formed and the surface potential distribution B when the temperature is uniform obtained in step S1, the potential change due to the presence or absence of the temperature gradient formation of the
局所ゼーベック係数導出処理は、測定物質22の表面に形成される温度勾配の方向および温度勾配(温度勾配の大きさ)が均一な場合と、これらが不均一な場合(温度勾配の方向および大きさが一定ではない場合)とで場合分けして算出される。まず、温度勾配の方向および温度勾配が均一である場合の局所ゼーベック係数導出処理について説明する。
The local Seebeck coefficient derivation process is performed when the direction and magnitude of the temperature gradient formed on the surface of the
図6は、温度勾配均一時における局所ゼーベック係数導出処理を説明するフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart for explaining local Seebeck coefficient derivation processing when the temperature gradient is uniform.
ステップS11において、熱起電圧分布導出処理のステップS1で形成した温度勾配の方向および温度勾配dTを取得する。本処理においては、温度勾配の方向および温度勾配dTが均一であるという条件であるため、加熱側支持具2aおよび冷却側支持具2bの温度差、または試料20のうち加熱領域25側と冷却領域26側との高熱伝導金属薄膜23上の温度差を取得することにより、試料20の表面に形成される温度勾配が求められる。このため、FM-KFM30で走査した範囲における温度分布の実測は特に必要ない。なお、支持具2a、2b間および高熱伝導金属薄膜23上の温度差は、2つ以上の熱電対などの温度センサを該当箇所に固定して温度を測定することで、求められる。
In step S11, the direction of the temperature gradient and the temperature gradient dT formed in step S1 of the thermoelectromotive voltage distribution deriving process are obtained. In this process, the direction of the temperature gradient and the temperature gradient dT are uniform. The temperature gradient formed on the surface of the
ステップS12において、ステップS3(図5の熱起電圧分布導出処理)で導出された熱起電圧分布V(x,y)を得た領域を一定微少区画に分割する。微少区画の寸法は、任意である。例えば、走査範囲を256×256ピクセルで定義している場合には、1つの微少区画が16×16ピクセルの寸法を有するように走査範囲が格子状に分割されることで、微少区画は定義され得る。 In step S12, the region where the thermoelectromotive voltage distribution V(x, y) derived in step S3 (thermoelectromotive voltage distribution deriving process in FIG. 5) is obtained is divided into constant minute sections. The dimensions of the microcompartments are arbitrary. For example, if the scan range is defined as 256×256 pixels, the microsections are defined by dividing the scan range into a grid such that each microsection has dimensions of 16×16 pixels. obtain.
ステップS13において、各微少区画内で、ステップS3で得られた熱起電圧分布V(x,y)を平均化し、各微少区画内の熱起電圧の平均値を算出する。ステップS14において、ステップS13で得られた各微少区画内の熱起電圧の平均値から、温度勾配の方向に関して隣接する微少区画間の電圧勾配dVを算出する。なお、ステップS13およびS14は、各微少区画において、例えば平面関数V(x,y)=ax+by+cにより熱起電圧分布Vをフィッティングして得られる(a,b)の値から、温度勾配方向の電圧勾配dVを算出する工程に置き換えてもよい。 In step S13, the thermoelectromotive voltage distribution V(x, y) obtained in step S3 is averaged in each minute division to calculate the average value of the thermoelectromotive voltage in each minute division. In step S14, the voltage gradient dV between adjacent micro-sections in the direction of the temperature gradient is calculated from the average thermoelectromotive voltage in each micro-section obtained in step S13. In steps S13 and S14, the temperature gradient direction voltage It may be replaced by a step of calculating the gradient dV.
ステップS15において、ステップS11で得られた温度勾配(隣接する区画間の温度勾配)dT、およびステップS14で得られた電圧勾配dVに基づいて、局所ゼーベック係数S(x′,y′)を算出する。具体的には、ゼーベック係数Sは、S=dV/dTで定義される。これに基づいて、各隣接する区画間のdV/dTで得られる値を、局所ゼーベック係数S(x′,y′)として取得する。ステップS16において、各微少区画で算出された局所ゼーベック係数S(x′,y′)の分布を画像化する。これにより、測定物質22上のゼーベック係数S(x′,y′)の分布が視覚的に認識可能となる。以上で、温度勾配が均一時における局所ゼーベック係数導出処理は終了する。
In step S15, the local Seebeck coefficient S(x', y') is calculated based on the temperature gradient (temperature gradient between adjacent sections) dT obtained in step S11 and the voltage gradient dV obtained in step S14. do. Specifically, the Seebeck coefficient S is defined as S=dV/dT. Based on this, the resulting value of dV/dT between each adjacent partition is obtained as the local Seebeck coefficient S(x',y'). In step S16, the distribution of the local Seebeck coefficients S(x', y') calculated in each minute section is visualized. Thereby, the distribution of the Seebeck coefficient S(x', y') on the
次に、温度勾配の方向および温度勾配が不均一である場合の局所ゼーベック係数導出処理について説明する。 Next, the direction of the temperature gradient and the processing for deriving the local Seebeck coefficient when the temperature gradient is non-uniform will be described.
図7は、温度勾配不均一時における局所ゼーベック係数導出処理を説明するフローチャートである。 FIG. 7 is a flowchart for explaining local Seebeck coefficient derivation processing when the temperature gradient is non-uniform.
ステップS21において、試料20の表面において温度分布T(x,y)を取得する。温度分布は、例えば走査型サーマル顕微鏡(図示せず)により測定物質22の表面の温度が計測されることにより得られる。
In step S21, a temperature distribution T(x, y) is obtained on the surface of the
ステップS22において、ステップS21で取得された温度分布T(x,y)を得た領域を一定微少区画に分割する。微少区画は、ステップS12(図6の局所ゼーベック係数導出処理)で説明したものと同義である。 In step S22, the region where the temperature distribution T(x, y) obtained in step S21 is obtained is divided into constant minute sections. The minute division has the same meaning as that described in step S12 (local Seebeck coefficient derivation processing in FIG. 6).
ステップS23において、各微少区画内で、ステップS22で得られた温度分布T(x,y)を平均化し、各区微少画内の温度の平均値を算出する。ステップS24において、ステップS23で得られた各微少区画内の温度の平均値から、隣接する微少区画間の温度勾配dTを算出する。ステップS25において、複数の隣接する区画において温度勾配dTの大きさが最大になる方向(最大温度勾配方向)を抽出する。また、この温度勾配dTが最大になる方向に関して隣接する区画間の温度勾配dT′を抽出する。なお、ステップS23からS25は、各微少区画において、例えば平面関数T(x,y)=ax+by+cにより温度分布Tをフィッティングして得られる(a,b)の値から、温度勾配が最大になる向きと値dT′を算出する工程に置き換えてもよい。 In step S23, the temperature distribution T(x, y) obtained in step S22 is averaged in each minute section to calculate the average temperature in each section. In step S24, the temperature gradient dT between adjacent micro-sections is calculated from the average temperature in each micro-section obtained in step S23. In step S25, the direction in which the magnitude of the temperature gradient dT is maximized (maximum temperature gradient direction) in a plurality of adjacent sections is extracted. Also, the temperature gradient dT' between adjacent sections is extracted with respect to the direction in which this temperature gradient dT is maximized. It should be noted that steps S23 to S25 are performed in each microscopic section, for example, from the values (a, b) obtained by fitting the temperature distribution T with a plane function T(x, y)=ax+by+c, the direction in which the temperature gradient is maximized. and a step of calculating the value dT'.
なお、ステップS21からステップS25は、温度勾配の方向および温度勾配を取得する工程に対応する。 Note that steps S21 to S25 correspond to the steps of acquiring the direction of the temperature gradient and the temperature gradient.
ステップS26およびステップS27は、図6のステップS12およびステップS13とほぼ同様であるため、説明を省略する。ステップS28において、ステップS27で得られた各微少区画の熱起電圧の平均値から、温度勾配dT′の方向に関して隣接する区画間の電圧勾配dVを算出する。 Steps S26 and S27 are substantially the same as steps S12 and S13 in FIG. 6, so description thereof will be omitted. In step S28, the voltage gradient dV between adjacent sections in the direction of the temperature gradient dT' is calculated from the average value of the thermoelectromotive voltage of each minute section obtained in step S27.
ステップS29において、温度勾配dT′の方向に関して隣接する区画間の温度勾配dT′および電圧勾配dVに基づいて、局所ゼーベック係数S(x′,y′)を算出する。局所ゼーベック係数S(x′,y′)は、図6のステップS15と同様の方法で算出される。ステップS30において、各微少区画で算出された局所ゼーベック係数S(x′,y′)の分布を画像化する。以上で、温度勾配が不均一時における局所ゼーベック係数導出処理は終了する。 In step S29, the local Seebeck coefficient S(x', y') is calculated based on the temperature gradient dT' and the voltage gradient dV between adjacent sections with respect to the direction of the temperature gradient dT'. The local Seebeck coefficient S(x', y') is calculated in the same manner as in step S15 of FIG. In step S30, the distribution of the local Seebeck coefficients S(x', y') calculated in each minute section is visualized. This completes the local Seebeck coefficient derivation process when the temperature gradient is non-uniform.
このようなホルダ1およびこのホルダ1を有するFM-KFM30は、試料20の表面に大きな温度勾配を形成することができる。これにより、試料20表面に温度分布を形成した状態で、熱起電圧分布を好適に取得することができる。また、得られた熱起電圧分布に基づくゼーベック係数算出方法により、ナノスケールの局所ゼーベック係数を導出することができる。これにより、例えば、表面電位分布から温度分布に変換可能となり、熱電材料のナノスケールの評価を好適に行うことができる。すなわち、本実施形態における走査型プローブ顕微鏡用試料ホルダ、走査型プローブ顕微鏡、およびゼーベック係数算出方法は、測定対象の局所的な熱的物性を得ることができる。
Such a
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 While several embodiments of the invention have been described, these embodiments have been presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.
例えば、走査型プローブ顕微鏡がFM-KFMである例を説明したが、原子間力顕微鏡ポテンショメトリ(AFMP(Atomic Force Microscope Potentiometry))などの他の走査型プローブ顕微鏡であってもよい。走査型プローブ顕微鏡がAFMPである場合、温度勾配を形成した状態で走査した結果得られる測定値の分布は、その動作原理から、熱起電圧分布となる。これにより、上述した図5の熱起電圧分布導出処理は省略でき、図6または図7の局所ゼーベック係数導出処理を実行すればよい。なお、FM-KFMは、非接触で走査が可能であるため、プローブからの熱流入や熱流出をほとんど考慮しなくて良いため、AMPFに対して優位に測定できる。 For example, although an example in which the scanning probe microscope is FM-KFM has been described, other scanning probe microscopes such as atomic force microscope potentiometry (AFMP) may be used. When the scanning probe microscope is an AFMP, the distribution of measured values obtained as a result of scanning with a temperature gradient formed is a thermoelectromotive voltage distribution due to its operating principle. 5 can be omitted, and the local Seebeck coefficient derivation process shown in FIG. 6 or 7 can be executed. Since FM-KFM can perform non-contact scanning, it is almost unnecessary to consider heat inflow and outflow from the probe. Therefore, it is superior to AMPF in measurement.
また、ホルダの加熱装置および冷却装置は、支持具を介して試料を加熱および冷却し、温度勾配を形成することができれば、上述した加熱装置4および冷却装置5に限らない。
Moreover, the heating device and cooling device of the holder are not limited to the
例えば、図8は、走査型プローブ顕微鏡用試料ホルダの第1の変形例を示
す概略的な説明図である。図8においては、ホルダ1と対応する構成および部分について
は同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
第1の変形例としてのホルダ1aが上述したホルダ1と異なる点は、加熱装置4が加熱
側支持具2aの直下に配置され、高熱伝導板6が省略された点である。ホルダ1aは、ホ
ルダ1に比べて装置高さを小さくすることができる。
For example, FIG. 8 is a schematic explanatory diagram showing a first modified example of a sample holder for a scanning probe microscope. In FIG. 8, the same reference numerals are given to the components and parts corresponding to those of the
The difference between the
また、図9は、走査型プローブ顕微鏡用試料ホルダの第2の変形例を示す
概略的な説明図である。
図10は、図9のX-X線に沿う断面図である。
Also, FIG. 9 is a schematic explanatory diagram showing a second modification of the sample holder for scanning probe microscope.
10 is a cross-sectional view taken along line XX of FIG. 9. FIG.
第2の変形例としてのホルダ100がホルダ1と異なる点は、加熱装置4が複数のペルチェ素子104である点である。ホルダ100は、複数の支持具102と、土台103と、複数のペルチェ素子104と、冷却装置105と、を主に有している。
A difference of the
支持具102は、走査型プローブ顕微鏡によって走査を行う対象の試料20を保持する。複数の支持具102は、試料20の周縁から試料20を囲うように垂直および水平方向に関して挟み、試料20の中央部20aが露出するように支持する。
A
土台103は、ホルダ100全体の土台となる部材であり、下方から順次積層された高熱伝導板106、ペルチェ素子104、および支持具102を支持する。高熱伝導板106は、土台103上であり、ペルチェ素子104の直下に配置されている。
The
ペルチェ素子104は、高熱伝導板106と支持具2との間に配置され、少なくとも支持具102の直下の全域に亘って配置されている。すなわち、複数のペルチェ素子104は、支持具102と同様に試料20の周縁を囲うように配置されている。ペルチェ素子104は、支持具102を介して試料20と熱的に接続されている。
The
冷却装置105は、例えば液体窒素を収容するクライオスタットである。冷却装置105は、高熱伝導板106に埋設された接続部材108を有している。冷却装置105は、接続部材108、高熱伝導板106、ペルチェ素子104、および支持具102を介して、試料20と熱的に接続している。これにより、冷却装置105は、支持具102を介して試料20と熱的に接続されている。
ホルダ100においては、支持具102のうち、試料20(支持具102)を加熱しているペルチェ素子104に対応する位置にある支持具102が、加熱側支持具となり得る。また、支持具102のうち加熱側支持具として機能する支持具102以外の支持具102は、ペルチェ素子104により加熱されていない。これら支持具102は、冷却装置105から吸熱される結果、冷却側支持具となり得る。
In the
このようなホルダ100は、各ペルチェ素子104を個別に温度制御が可能である。これにより、ホルダ100は、所望する温度分布に応じて適宜加熱または冷却を切り替えることができ、温度勾配の方向や位置を任意に制御することができる。
Such a
さらに、図11は、走査型プローブ顕微鏡用試料ホルダの第3の変形例を
示す概略的な説明図である。
図12は、図11のXII-XII線に沿う断面図である。
Further, FIG. 11 is a schematic explanatory diagram showing a third modification of the sample holder for scanning probe microscope.
12 is a cross-sectional view taken along line XII-XII in FIG. 11. FIG.
ホルダ200は、支持具202と、土台203と、断熱板207と、加熱兼冷却装置210と、を主に有している。支持具202および土台203は、図1および図2の支持具2および土台3、ならびに図9、10の支持具102および土台103とほぼ同様であるため、説明を省略する。
The
断熱板207は、支持具202と土台203との間に配置されている。断熱板207は、例えばフッ化マグネシウムなどのフッ化物結晶、ガラス、またはジルコニアに代表されるセラミックなどの断熱性を有する材料からなる板材である。断熱板207は、支持具202と試料20との間のみに熱伝達を限定させることで、中央部20aの水平面方向に確実に温度勾配を生じさせる役割がある。断熱板207は、熱が土台203に伝達されないように、さらには走査型プローブ顕微鏡の試料台などからホルダ200の外部に逃げないように配置されている。
A
加熱兼冷却装置210は、支持具202の一部としての加熱側支持具を加熱し、支持具202の他部としての冷却側支持具を冷却する。加熱兼冷却装置210は、支持具202の外周を囲うように複数配置されている。加熱兼冷却装置210は、ペルチェ素子、またはクライオスタットとヒータを組み合わせた機構からなる。加熱兼冷却装置210は、例えば銅リボンなどの熱伝導率の高い接続部材208を有している。この接続部材208は、支持具202と留め具209との間に挟まれることにより、支持具202と加熱兼冷却装置210と、を熱的に接続している。加熱兼冷却装置45の作用については、図1、図2、および図8から図10の加熱装置4および冷却装置5と同様であるため、詳細な説明を省略する。
The heating and
このようなホルダ200は、各加熱兼冷却装置210を所望する温度分布に応じて適宜加熱または冷却を切り替えることができ、温度勾配の方向や位置を任意に制御することができる。
Such a
1、1a、100、200 走査型プローブ顕微鏡用試料ホルダ(ホルダ)
2、102、202 支持具
2a 加熱側支持具
2b 冷却側支持具
3、103、203 土台
4 加熱装置
5、105 冷却装置
6、106 高熱伝導板
7、207 断熱板
8、108、208 接続部材
9、209 留め具
20 試料
22 測定物質
25 加熱領域
26 冷却領域
27 温度遷移領域
28 測定可能領域
30 周波数検出方式ケルビンプローブ原子間力顕微鏡
45 加熱兼冷却装置
104 ペルチェ素子
210 加熱兼冷却装置
1, 1a, 100, 200 Sample holder for scanning probe microscope (holder)
2, 102, 202
Claims (7)
前記試料を前記走査型プローブ顕微鏡に対して保持し、前記試料の温度遷移領域に局所的に温度勾配を形成する試料ホルダと、
前記試料の前記温度遷移領域の前記走査型プローブ顕微鏡による走査結果に基づいて局所ゼーベック係数を算出する演算部と、を備え、
前記試料ホルダは、
前記加熱領域および前記冷却領域の少なくとも一部をそれぞれ保持する熱伝導性を有する支持具と、
前記加熱領域を保持する前記支持具を加熱する加熱装置と、
前記冷却領域を保持する前記支持具を冷却する冷却装置と、を備え、
前記演算部は、
前記加熱装置および前記冷却装置により前記加熱領域側と前記冷却領域側との間の前記温度遷移領域に形成された前記温度勾配の方向および前記温度勾配を取得し、
前記試料の前記温度遷移領域の前記走査型プローブ顕微鏡による走査結果に基づいて熱起電圧分布を取得し、
前記温度遷移領域を一定区画ごとに分割し、前記熱起電圧分布から各前記区画内の熱起電圧の平均値を算出し、
前記温度勾配の方向に関して隣接する前記区画間の前記熱起電圧の平均値から、前記隣接する区画間の電圧勾配を算出し、
前記隣接する区画間の前記温度勾配および前記電圧勾配に基づいて、局所ゼーベック係数を算出する、温度勾配形成装置。 A sample having a substance to be measured to be scanned by a scanning probe microscope, comprising: a heating region; a cooling region; and a temperature transition region where the measurement substance is exposed;
a sample holder that holds the sample against the scanning probe microscope and locally creates a temperature gradient in a temperature transition region of the sample;
a computing unit that calculates a local Seebeck coefficient based on the scanning result of the scanning probe microscope of the temperature transition region of the sample,
The sample holder is
a thermally conductive support that holds at least a portion of each of the heating region and the cooling region;
a heating device that heats the support that holds the heating region;
a cooling device that cools the support that holds the cooling area;
The calculation unit is
Obtaining the direction of the temperature gradient and the temperature gradient formed in the temperature transition region between the heating region side and the cooling region side by the heating device and the cooling device;
Acquiring a thermoelectromotive voltage distribution based on a scanning result of the temperature transition region of the sample by the scanning probe microscope,
dividing the temperature transition region into certain sections, and calculating an average value of the thermoelectromotive voltage in each section from the thermoelectromotive voltage distribution;
calculating the voltage gradient between the adjacent sections from the average value of the thermoelectromotive voltages between the adjacent sections with respect to the direction of the temperature gradient;
A temperature gradient forming device for calculating a local Seebeck coefficient based on the temperature gradient and the voltage gradient between the adjacent compartments .
基板と、
前記基板の一方の面に形成される前記測定物質と、
前記測定物質の前記基板と対向する面と反対の面に形成される高熱伝導膜と、を備え、
前記加熱領域および前記冷却領域は、前記高熱伝導膜により覆われる前記測定物質上の領域であり、
前記温度遷移領域は、前記加熱領域および前記冷却領域以外の領域であり、
前記高熱伝導膜は、前記加熱領域および前記冷却領域をそれぞれ温度均一にすることで前記温度遷移領域にのみ温度勾配を形成する、請求項1記載の温度勾配形成装置。 The sample is
a substrate;
the measurement substance formed on one surface of the substrate;
a high thermal conductivity film formed on the surface of the measurement substance opposite to the surface facing the substrate,
The heating region and the cooling region are regions on the measurement substance covered with the high thermal conductivity film,
The temperature transition region is a region other than the heating region and the cooling region,
2. The temperature gradient forming device according to claim 1, wherein said high heat conductive film uniformizes the temperatures of said heating region and said cooling region respectively, thereby forming a temperature gradient only in said temperature transition region.
前記支持具が保持する前記試料の領域は前記加熱領域および前記冷却領域との間で切り替え可能である、請求項1または2記載の温度勾配形成装置。 The support is connected to the heating device and the cooling device,
3. The temperature gradient forming device according to claim 1, wherein the region of the sample held by the support is switchable between the heating region and the cooling region.
前記加熱装置および前記冷却装置により前記加熱領域側と前記冷却領域側との間の前記温度遷移領域に温度勾配を形成する工程と、
前記温度勾配の方向および前記温度勾配を取得する工程と、
前記試料の前記温度遷移領域の前記走査型プローブ顕微鏡による走査結果に基づいて熱起電圧分布を取得する工程と、
前記温度遷移領域を一定区画ごとに分割し、前記熱起電圧分布から各前記区画内の熱起電圧の平均値を算出する工程と、
前記温度勾配の方向に関して隣接する前記区画間の前記熱起電圧の平均値から、前記隣接する区画間の電圧勾配を算出する工程と、
前記隣接する区画間の前記温度勾配および前記電圧勾配に基づいて、局所ゼーベック係数を算出する工程と、を備えるゼーベック係数算出方法。 A sample having a substance to be measured to be scanned by a scanning probe microscope, comprising a heating region, a cooling region, and a region disposed between the heating region and the cooling region corresponding to at least a scanning range of the scanning probe microscope and a temperature transition region in which the substance to be measured is exposed, and a sample holder that holds the sample against the scanning probe microscope and locally forms a temperature gradient in the temperature transition region of the sample. and a computing unit that calculates a local Seebeck coefficient based on the result of scanning the temperature transition region of the sample by the scanning probe microscope, wherein the sample holder defines at least part of the heating region and the cooling region. A temperature gradient forming device comprising: a thermally conductive support holding each; a heating device for heating the support holding the heating region; and a cooling device for cooling the support holding the cooling region. a step of preparing
forming a temperature gradient in the temperature transition region between the heating region side and the cooling region side by the heating device and the cooling device;
obtaining the direction of the temperature gradient and the temperature gradient;
obtaining a thermoelectromotive voltage distribution based on a scanning result of the temperature transition region of the sample by the scanning probe microscope;
a step of dividing the temperature transition region into certain sections and calculating an average value of the thermoelectromotive voltage in each section from the thermoelectromotive voltage distribution;
calculating a voltage gradient between the adjacent sections from the average value of the thermoelectromotive voltages between the adjacent sections with respect to the direction of the temperature gradient;
and calculating a local Seebeck coefficient based on the temperature gradient and the voltage gradient between the adjacent sections.
前記試料の前記温度遷移領域の温度分布を取得する工程と、
前記温度分布から前記区画内の温度の平均値を算出する工程と、
隣接する前記区画間の前記温度の平均値から、前記隣接する区画の温度勾配を算出する工程と、
複数の前記隣接する区画間で前記温度勾配が最大になる最大温度勾配方向と、前記最大温度勾配方向に関して温度勾配を抽出する工程と、を含み、
前記隣接する区画間の電圧勾配を算出する工程は、前記最大温度勾配方向を前記温度勾配の方向として、前記隣接する区画間の電圧勾配を算出する工程を含み、
前記局所ゼーベック係数を算出する工程は、前記最大温度勾配方向に関して隣接する前記区画間の前記温度勾配および前記電圧勾配に基づいて、前記局所ゼーベック係数を算出する工程を含む、請求項5記載のゼーベック係数算出方法。 Obtaining the direction of the temperature gradient and the temperature gradient comprises:
obtaining a temperature distribution of the temperature transition region of the specimen;
calculating an average value of the temperature in the compartment from the temperature distribution;
calculating a temperature gradient of the adjacent compartments from the average temperature between the adjacent compartments;
a maximum temperature gradient direction in which the temperature gradient is maximized between a plurality of the adjacent compartments; and extracting a temperature gradient with respect to the maximum temperature gradient direction;
The step of calculating the voltage gradient between the adjacent compartments includes calculating the voltage gradient between the adjacent compartments with the maximum temperature gradient direction as the direction of the temperature gradient,
6. The Seebeck according to claim 5, wherein calculating the local Seebeck coefficient comprises calculating the local Seebeck coefficient based on the temperature gradient and the voltage gradient between the adjacent sections with respect to the maximum temperature gradient direction. Coefficient calculation method.
前記熱起電圧分布を取得する工程は、
前記加熱装置および前記冷却装置により温度勾配を形成し、前記試料の温度遷移領域において前記走査型プローブ顕微鏡により温度勾配時表面電位分布を取得する工程と、
前記温度遷移領域の温度を均一にした状態で前記温度遷移領域において前記走査型プローブ顕微鏡により温度均一時表面電位分布を取得する工程と、
前記温度勾配時表面電位分布および前記温度均一時表面電位分布に基づいて、前記温度遷移領域の熱による電位変化を求めることにより、熱起電圧分布を取得する工程と、を含む、請求項5または6記載のゼーベック係数算出方法。 The scanning probe microscope is a Kelvin probe atomic force microscope,
The step of obtaining the thermoelectromotive voltage distribution includes:
a step of forming a temperature gradient with the heating device and the cooling device, and obtaining a temperature gradient surface potential distribution with the scanning probe microscope in a temperature transition region of the sample;
obtaining a uniform temperature surface potential distribution in the temperature transition region with the scanning probe microscope in a state where the temperature of the temperature transition region is made uniform;
obtaining a thermoelectromotive voltage distribution by obtaining a potential change due to heat in the temperature transition region based on the surface potential distribution at temperature gradient and the surface potential distribution at uniform temperature. 6. The method for calculating the Seebeck coefficient according to 6 above.
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