【正文】 立的 。 兩個加熱器（紅色箭頭， HI1HI2）的 其中一個通上電流 ，測量 4點電阻 加熱器 以確定電壓降（ HV1HV2） 。兩 只溫度計 (TLI1,2TLV1,2TRI1,2TRV1,2)之間的熱電壓（ VP）需測量 。兩 只溫度計之間 的溫 差是 由確定兩 溫度計 （左溫度計電壓（ TLV1TLV2） 的 4點電阻 和電流（ TLI1TLI2）） 以作為 加熱器的 功率 和低溫恒溫器的 函數(shù) 來測量的 。電導(dǎo)率 的 測量為 4點， 其中電流通過外 導(dǎo)線 的硅線 (A1A2B1B2 )，然后記錄下內(nèi)導(dǎo)線之間的 電壓 （ T LI1,2 T LV1,2 T RI1,2 T RV1,2） 。 圖 ： A） 硅納米線 的熱電性 能 的 電子測量實驗裝配和 儀器。吉時利 707A開關(guān)矩陣（ a） 用于在 儀器和設(shè)備 之間的 連接 選擇 。 兩個鉑溫度計（左，右）的 4點電阻分別由 SR830鎖相放大器（每 個溫度計 里有兩個 ） 、 （ b）和（ c）記錄 。吉時利 2400源米（ d）是將直流電流通向加熱器以 產(chǎn)生溫差。吉時利 2182A納伏表（ e）是用于 記錄兩 溫度計 之間的熱電壓或 者測量懸浮 加熱器的 4點電壓來測量熱電系數(shù) 。 B）突破箱（ a）用于連接設(shè)備上的所有導(dǎo)線和 開關(guān)矩陣 的 。配置件將被保存在冷 指 氮 液低溫恒溫器（ b） 中 ，溫度 通過 PID溫度控制器（ e）的加熱器和硅二極管傳感器 控制的。整個測量保持 高真空（ c），壓力 用 離子 壓力 控制器（ d）記錄。 C） 所有的儀表和溫度控制器 用 Labview程序 控制。圖 像顯示了當(dāng)電流通過電子束加熱器逐步增加的時候，兩個溫度計的電阻的 同步 記錄 過程。 圖 ： 20nm硅納米線的熱電壓的是加熱器功率的線性函數(shù)。右邊的（深灰色）和左邊的（黑色，淺灰色）加熱器都被用來確認熱電壓的正確 的信號反轉(zhuǎn)。由于加熱器是相同的并且與納米線的距離幾乎也是相同的，兩個加熱器在相同的功率消耗的情況下，溫度梯度以及熱電壓也是相同。加熱器中電流的反轉(zhuǎn)沒有改變信號或顯示的熱電壓的幅值。誤差條線代表六次測量中的標(biāo)準偏差（σ）。 熱電勢和電導(dǎo)率 。 其他地方 描 述 過 一個方法被應(yīng)用于硅納米線的熱電勢的 測量。設(shè)備 根據(jù) 進行制作（圖 ）。實驗裝置如圖 。 從單一的加熱器上得到的 焦耳熱 (P=I2R)用于局部加熱基板，并創(chuàng)建一個沿納米線的溫度梯度。為了獲得熱電 勢 ， S=dVp/dT，納米線相 等 點 （內(nèi)部金屬導(dǎo) 線， 圖 ）之間的熱電壓和溫度差是 獨立 獲得的，其作為 2點加熱器 動力 的 函數(shù) 。吉時利 2400源米 被應(yīng)用于提供 直流電壓，并 通過兩個加熱器導(dǎo)線（圖 ， HI1HI2） 測量直流電流，而吉時利 2182A納伏表是用來測量熱電壓（ 6個測量的 平均 數(shù) ） 。 我們 對每一個設(shè)備 進行了測試，以確保錄得的電壓是 根據(jù) 溫度梯度 的 并且 不泄漏 的 等。然而在 保持兩個電壓表的 歸一 性 時 ， 也 是 同樣 的 方法 ，我們 測量熱電壓兩次，第一次使用一個加熱器，然后 使用另一個 。正如預(yù)期的那樣（圖 ）， 當(dāng)溫度梯度反轉(zhuǎn)時， 熱 電 壓開關(guān) 發(fā)出信號 。此外，熱電壓的 信號 總 是 和 p型材料一致的，其中 p型材料 是 以 空穴 為 主要的電荷載體 （圖 ）。 另外，由于焦耳熱是獨立的電流方向， 加熱器 中 的電流 反轉(zhuǎn) 不會改變 信號 或熱電壓的 幅值 （圖）。 為了將作為加熱器功率的函數(shù) (WH)的熱電壓 (VP)轉(zhuǎn)換為作為溫差（ dT）函數(shù)的熱電壓，我們進行了兩個額外的測量。第一個測量，兩個溫度計 (RLT左 , RRT右 )的電阻同時被測量并作為加熱器功率（或左或右加熱器）（圖 ）的函數(shù)。由吉時利 2400源米（圖 ， HI1HI2）提供的直流電流通向加熱器，電壓由吉時利 2400（ 2點阻力， HI1HI2）和 2182A納伏表（ 4點阻力，HV1HV2）同時測量。第二次測量假設(shè)兩個溫度計的電阻和低溫恒溫器支架溫度（ dT）的關(guān)系是由一個 Lake Shore 331溫度控制器（圖 ）控制的。在兩個測量中溫度計的電阻是由四個 SR830 DSP的鎖相放大器得到的，每兩個鎖相放大器測量一個溫度計。一個鎖相放大器是用來測量電流（圖 ， TLI1TLI2 或 TRI1TRI2），而其他是用來衡量在硅納米線短節(jié) (圖 , TLV1TLV2或 TRV1TRV2)中的電壓降。所有的測量產(chǎn)生的線性函數(shù)用來 計算如下（假設(shè)左加熱器被使用了）的熱電勢： 圖 : A） 當(dāng)加熱器功率（藍色，右 Y軸）逐步增加時，兩個溫度計（黑色和紅色，左邊 Y軸）的電阻的 同步實時測量。左邊的溫度計更加 靈敏 ，因為它是接近左加熱器。對于每個加熱器的功率， 我們 收集了 80個 阻力點， 并且其中的最后 二十 個為平均值 。插圖：溫度計電阻和加熱 器 功率之間的線性關(guān)系， dRT/dWLH. B） 當(dāng)?shù)蜏?恒溫器的溫度（藍色，右 Y軸）由 1K逐步增加時，兩個溫度計的電阻（黑色和紅色，左邊 Y軸）也 進行 同步 實時測量。兩個溫度計 對 全球溫度變化的反應(yīng)相同。 在 每個溫 度 點， ? 800電阻 點收集 起來并且其中的最后的 150個點被平均化 。插圖：溫度計電阻和全球溫度之間的線性關(guān)系， dRT/dT。為方便起見，在這里 所有 電阻由初始電阻 R0歸一化。誤差條線是 溫度計電阻的標(biāo)準偏差。 圖 展示了沿著硅納米線的確定溫度梯度的測量作為加熱器功率函數(shù)（等式 ）。 硅納米線的電導(dǎo)率由 4點 方法 測量 ，通過 吉時利 2400源米的外 金屬導(dǎo)線 （圖 ， A1A2B1B2）導(dǎo)入直流電流并測量吉時利2182A 納 伏 表 的 內(nèi) 導(dǎo) 線 的 電 壓 降 ( 圖 , TLI1,2TLV1,2TRI1,2TRV1,2) 。平均每個 電壓是電流 的五倍。單片平面硅 /金屬觸點 用于 10nm的硅納米線 的接觸 電阻 的最小化（圖 C， D和 ） ，這對線摻雜為 at 1020 cm3的 范圍是特別重要的 。 這項研究中 在利用摻雜 制度 的 20nm電線的 單片接觸 不是必須的，因為接觸電阻是可忽略不計的 。 圖 ： 摻雜 ? 5e19 cm3的 10納米電線的電流與電壓 （ 4點）比較 圖。阻力 單片在平面接觸（灰點，低分段）的使用后明顯 下降， 反而 直接接觸納米線（黑點，上插圖）。外導(dǎo)線之間的電流測量和 內(nèi)導(dǎo)線 之間的 電壓 測量。 為了直接比較，電流 被歸一為每單元線的每單元長度。 插圖 中的 基準 尺為 500 nm。 熱導(dǎo)率 。 其他地方描述過的方法被應(yīng)用于硅納米線的熱導(dǎo)率的測量，具有幾個重大分歧。在參考 25中提到的方法應(yīng)用于分別從其他設(shè)備（自下而上）上制作而來的納米線和納米管的制作。一旦懸浮加熱器構(gòu)建起來，納米結(jié)構(gòu)就被導(dǎo)入在兩個懸浮 Si3N4薄膜中。因此，一維的納米結(jié)構(gòu)是完全從基板上脫離的，但除了附在懸浮薄膜上的兩點。我們的硅納米線構(gòu)建過程是自上而下的。因此，納米線的構(gòu)建是依附在底部氧化層上的，并在測量之前應(yīng)該從底板上合理地被釋放在某些點上。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)將加 熱器和硅納米線都懸浮是非常具有挑戰(zhàn)性的。在此例子中懸浮納米線的唯一的方法是用濕法刻蝕，比如 BOE法。如果先將納米線懸浮，所有的后續(xù)處理步驟會引起納米線的破裂。如果納米線在最后一步被懸浮，那么其他懸浮結(jié)構(gòu)將破裂。為克服這一問題，我們通過只懸浮含有硅納米線和兩個加熱器的一個氧化島（圖 ），并進行兩次測量，一次帶有線及另一次不帶線。 Xe F2的各向同性蝕刻是針對硅的，不蝕刻氧化。因此，我們首先測量硅納米線的熱傳導(dǎo)以及底層氧化，在納米線的選擇性蝕刻后，我們反復(fù)測量，以獲得單獨的氧化物熱傳導(dǎo)。并減去產(chǎn)生硅納米線的 熱傳導(dǎo)的兩個值。值得注意的是，與 XeF2蝕刻相比，樣品在測量之間不會擾動。事實上，樣品被蝕刻在 XeF2室里而其余的線連接到芯片載體上。 圖 ： A） 硅納米線設(shè)備的 SEM懸浮在 面積 為 600微米 ? 600微米 的區(qū)域 。 B） 放大 懸浮氧化物島 的 SEM，其 包含兩個加熱器和兩個溫度計。硅納米線 在 溫度計之間 比較 明顯。 C） 在 XeF2的硅納米線蝕刻后， 從 B中得到的元件 。 在 B， C中的比 例尺為 10微米。 圖 作為在 XeF2蝕刻前（圖 ）后（圖 ）的硅納米線測量的典型的 懸浮裝置 。 硅納米線各向同性干法 刻蝕是有選擇性的，并不會改變 裝置 。 方法的第二個 分歧 是由 Shi等人描述的并且我們的構(gòu)建過程中提到的方法 是 可 允許全優(yōu)值測量， 包括 在單一設(shè)備上的 熱電勢，電導(dǎo)率 和熱導(dǎo)率的測量。因此， 為取代 加熱器 作為 電阻溫度計，我們制作 了與加熱器分離的 溫度計。這 可以 使我們能夠更準確地 沿著納米線 測量溫度梯度 ，因為我們不能假設(shè)加熱器下方的氧化物是等溫的。 兩 只 溫度計 之間 的溫度變化（ ΔT h:溫度計靠近加熱器， ΔT s:溫度計 更 遠 的距離 加熱器） 是 由 一個加熱器功率中的小幅增加 （通常 ? 2μ W 2點） 而產(chǎn)生的，并由 如上所述的 SR830鎖相放大器 測 量的 。對于每一個溫度計，一個放大器提供150250nA， 913赫茲的正弦勵磁電流，而其他放大器 測量溫度計的一個短區(qū)（其寬度是納米線陳列的寬度 (~5 μm) ） 的電壓降（ 1050μ V的順序） 。 氧化膜上的加熱器產(chǎn)生的 焦耳熱 (Qh)是由4點方法通過引入一個小直流電流 (50100μA) 來測量 。 在兩個帶有直流電流 (QL)的鉑導(dǎo)線上消失的熱量是根據(jù)從總的 （ 2點） 加熱器消失的 焦耳熱 減去 Qh。 根據(jù) Shi等人的推導(dǎo)演示 ，兩 只溫度計之間的材料的熱傳導(dǎo)率 是： 其中 GNW代表 硅納米線的熱傳導(dǎo)。然后，硅納米線 的 (κ NW)導(dǎo)熱率可以從 下列 公式 計算 得出 ： 其中 n， LNW 和 ANW分別為 數(shù)量，長度和納米線橫截面面積。 硅納米線 的熱電性能對溫度的依賴性 如上所述， 熱電器件 的電導(dǎo)率應(yīng)該將其 優(yōu)值因子 最大化。在半導(dǎo)體中，聲 子傳遞著相當(dāng)部分的熱量。因此，我們通過減小電線的直徑，從而減少材料的熱導(dǎo)率。假如 摻雜劑 所占比重足夠高，電導(dǎo)性可以被最優(yōu)化而不影響其熱導(dǎo)性。然而， 塞貝克系數(shù) 預(yù)計隨著 載流子濃度 的增加而減少。首先，適當(dāng) 摻雜 度的半導(dǎo)體的熱電勢 (Sd)的電子量、或擴散及組成部件，是通過如下關(guān)系受 空穴濃度 影響的： 圖 : A) P 型 20 nm 硅納米線 的 4點電阻作為 柵電壓(VG)。插圖： SEM 圖樣展示的是 Pt 電極脫離 10nm 厚含 Al2O3 電介質(zhì)的納米線 B) 最高柵電壓的熱電勢調(diào)解 ΔVP/ΔT 。每一電壓數(shù)據(jù)都是由 VP 的六個測量值的平均值獲得的，其標(biāo)準偏差由錯誤條線代表。 塞貝克系數(shù) 由 線性回歸分析法 獲得，由豎線代表。熱電勢由柵電壓的四個數(shù)值獲得： 1V（綠色正方形）， 0V（紅色三角形）， +1V（黑色圓圈）和 +（藍色方形）。 其中 n0 是導(dǎo)帶 中是有效的態(tài)密度及 n 是載體的密度 (cm3)。另外，由于 聲子曳引 ，大量的硅 鍺 熱電勢，隨著雜質(zhì)原子和載體流子的數(shù)量增加而顯示了明顯的下降。 摻雜 等級是一個非常重要的電子參數(shù)，其在我們的系統(tǒng)中很容易調(diào)制。項目的最開始，主要的參數(shù)空間未暴露，決定最大功率因素 S2σ 行使硅納米線中的載流子濃度 的功能，成為非常重要的部分。我們已經(jīng)研究了具有頂澆口的硅納米線中的載波調(diào)制的熱電勢影響。我們獲取的納米線 (ptype, ~5e18 cm3)的十個 Al2O3 電介質(zhì)的指數(shù)，以及鉑電極的指數(shù)顯示在圖 中。在柵電壓為 1V 和 1V 之間，納米線的電阻增加了兩個數(shù)量級（圖 ）。然而，熱電勢，如數(shù)據(jù)，僅僅增加了 倍。如方程 和數(shù)據(jù) 所示，熱電壓的小幅增加說明了將納米線的電導(dǎo)性能最大化比試圖提高Sd 可能更為有利。我們同樣期待聲子 曳引 的優(yōu)勢，通過大量減少低參雜的硅納米線的電導(dǎo)性能，可以完全補充低參雜的硅材料。因此，我們選擇集中于相對高雜質(zhì)濃度的，其濃度在 ~1019 和 1020 cm3之間。數(shù)據(jù) 顯示的是電導(dǎo)性能為 10 nm, 20 nm 及 500 nm，雜質(zhì)濃度為 5x1019 和 2x1020 cm3 的寬型 P型納米線的溫度特性。 圖 ： 電導(dǎo)率（每一納米線）及典型納米線（橫切面： 10 nm x 10 nm（正方形）， 20 nm x 10 nm（圓形） 500 nm x 10 nm（三角形））的溫度特性。納米線的參雜等級如圖所示。） 在計算電導(dǎo)率時，我們假設(shè)納米線為 10 nm厚，因為雜摻雜擴散方法（第一章）產(chǎn)生了最上 10納米薄膜的絕大多數(shù)的雜質(zhì)。簡并摻雜 (1020 cm3)為 10 nm 和 20 nm寬的硅納米線，電導(dǎo)率的金屬依存度的顯示相當(dāng)于 500 nm 的寬線，稱之為 σ ∝ T1。另一方面，在摻雜低于 1020 cm3的情況下， 10 nm的寬型硅納米線通常會像半導(dǎo)體；它們的電導(dǎo)性能隨著 ~ea/T而變化。 10 nm電線的金屬特性是在 SOI薄膜的參雜溫度大于等于 1000 oC的情況下觀察的。顯然， 10 nm寬的納米線和 20nm寬的納米線的電導(dǎo)率的最大