扫描热显微镜测量机理的研究

　　1引言

　　热物理量，例如，温度、热量、热流密度、热导率等的测量技术随着高技术的发展，许多领域的研究对象已经进入亚微米和纳米范围。因此，在1986年，扫描热显微技术就应运而生了[l]。本文就其测量机理做出初步研究。

　　2测量原理

　　扫描热显微术是在原子力显微镜(AFM)的基础上形成的，AFM的组成如图1所示。

　　当探针与样品表面接触并沿着X一Y方向扫描时，针尖与样品表面之间将会发生作用力，使探针臂产生弯曲变形，从而导致反射的激光束偏转，该偏转被光探测器检测到，然后送往反馈控制系统，反馈系统输出一个信号到X一y一Z扫描控制台，控制样品沿Z方向上下移动，使针尖与样品表面间的作用力保持不变，这时，样品Z轴方向上的位移即反映了样品的表面形貌。

　　把原子力显微镜的探针发展为具有热测试功能的热探针，并相应增加一些辅助电路，就成为扫描热显微镜(SThM)。它的工作模式有两种[z]，分别是被动模式(温度测试模式)与主动模式(热导率测试模式)。

　　2.1被动模式(温度测试模式)

　　被动模式下，温度较高的样品将向探针传递热量，可以用如图2所示的热阻网络来进行分析。其中，R。是薄膜热电阻到探针基础的热阻，主要是由构成探针悬臂梁的材料决定的，可以认为不变;凡是探针与样品间的总热阻，由以下一些环节构成:气体导热的热阻Rss、探针与样品表面间水膜的热阻R。、固体之间的接触热阻Rcon、探针与样品间对流换热的热阻Rco。与辐射热阻Rr。Tb是探针基端的温度，近似等于环境温度T0，Tt是探针尖的温度，Ts是样品表面的温度。被动模式下探测时，可以认为样品是一个热源，探针在扫描过程中对样品表面的热场影响很小。

　　2.2主动模式(热导率测试模式)

　　主动模式下，探针既是探测器，又是加热器，较高温度的探针向样品传递热量。此时的热阻网络模型如图3所示。与被动模式相比，多了样品本身的热阻R入。探针温度与样品表面温度的关系为：

　　由于激光加热功率恒定为Q，因此又可以得到：

　　可以看出:要获得热导率入，必须将R，与R人解除祸合，还要弄清与入之间的关系。经过分析[2，3]，可知探针尖与试样表面之间的热阻R，是由五种热阻并联而成的。在目前的实验条件下，气体导热热阻Rg、对流换热热阻Rcon。、辐射热阻R，都可以忽略，而固体接触热阻Rss、水膜导热热阻R二是决定R，的主要因素。

　　3样品本身的热阻的分析

　　在扫描热显微镜装置中，探针的针尖是半球形的，样品是厚度较小、径向尺寸较大的平板状，探针尖与样品表面接触，接触区域可认为是半径:。为100纳米左右的圆形。在主动模式下，探针的基端加热，使得热流Q从探针尖流入样品。探针以一定的速度。对样品表面进行接触式扫描，针尖的温度和热流都保持不变，可以看做一个准稳态过程。样品内部热阻定义为R*=(兀一T0)/Q，对于不同的情况，可以分别简化为移动的平面圆形热源和圆柱体热源问题。