Advanced Materials：增材制造制備用于四維測溫的熱電微器件

一、[導讀]

溫度計是人們最熟知的測溫設備，其原理是檢測各種物理量的變化。隨著人們在各個領域探索深度增加，提高溫度計的靈敏度、空間分辨率和可擴展性是一個巨大的挑戰。例如，以高時空分辨率解析三維（3D）溫度場對于探索各種微觀系統中的熱力學有很大的需求。在各類溫度計中，熱電偶（TC）具有配置簡單和可無源操作的優點而被廣泛研究，用于高空間分辨率測溫的TC器件一個顯著的進展是掃描熱顯微鏡（SThM）的發明，其可使用熱電偶集成掃描納米探針繪制納米尺度的平面內溫度場。然而，SThM探針的制造涉及重復的光刻、蝕刻和沉積工藝，這限制了實用性，并且測量依賴于具有大約100 μm×100 μm窄范圍和幾個Hz掃描速度的逐點串行掃描方式。為了在測溫中實現并行化方案，科研人員已經進行了大量工作來制造二維（2D）的TC陣列。然而，由于與3D TC制造相關的技術挑戰，微尺度的四維（4D＝3D空間+1D時間）測溫尚未實現。此研究通過開發了一種高分辨率雙金屬打印技術，建立懸浮在空氣中的TC微探針的3D網絡，該打印設備能夠以毫秒級時間分辨率繪制4D微尺度溫度場。

二、[成果掠影]

?中國香港大學Dong-Keun Ki和Ji Tae Kim研究團隊報道了一種三維（3D）打印的微型熱電裝置，通過開發一種高分辨率雙金屬打印技術，建立懸浮在空氣中的TC微探針的3D網絡，并證明該打印設備能夠以毫秒級的時間分辨率繪制4D（三維空間+一維時間）的微尺度溫度場。該設備由獨立的熱電偶探針網絡組成，通過雙金屬3D打印制造，具有微米級的出色空間分辨率。研究表明，所開發的4D測溫可以在微電極或彎液面等感興趣的微尺度物體上探索焦耳加熱或蒸發冷卻動力學。3D打印的使用進一步開辟了自由實現在各種片上、獨立式微傳感器或微電子器件測溫的可能性，不再受制造工藝的設計限制。相關成果以“Additive Manufacturing of Thermoelectric Microdevices for Four-Dimensional Thermometry”發表在Advanced Materials上。

三、[核心創新點]

開發了一種三維(3D)打印的微型熱電裝置，可以在微觀尺度上直接進行四維(3D空間+時間)溫度測量，空間分辨率達微米級，可用于探索焦耳加熱或蒸發冷卻的動力學。

四、[數據概覽]

圖1.?3D TC網絡。a) 示意圖顯示了在圖案化電極基板上由3×3×3 Pt-Ag TC組成的3D打印TC網絡。b) 1×3的TCs垂直集成，Tn由測量電壓Vn、打印的TC結塞貝克系數S和基底溫度TR得出。c）3D TC網絡芯片。d) 3D打印TC網絡的場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）圖像，共有27個Pt-Ag結（比例尺：50μm）。 e) 1×3Pt-Ag TC的FE-SEM圖像（比例尺：20μm）和相應的獨立Pt和Ag微導線的能量色散X射線光譜（EDS）圖像。(比例尺：20μm）。? 2023 WILEY

圖2:彎月面引導的3D打印和打印Pt-Ag TC的表征。a-e）打印過程示意圖和實時光學顯微照片（比例尺：20μm）；(a) 充滿PtNP墨水的玻璃吸管（直徑：約3微米）首先接近基底附近，形成一個fL大小的彎月面，并在快速蒸發下引導彎月面向垂直方向移動，從而產生獨立的微線； (b) 通過垂直拉動移液器（打印速度：2μm/s）打印出鉑金微線；(c) Pt線的打印過程是通過一個充滿AgNP墨水的微吸管（直徑：2 ~ 3 μm）垂直拉動；(d) Ag線被引導到打印的Pt微結構的頂點，形成雙金屬結；(e) Ag線的生長按意愿水平終止，形成Pt-Ag TC結。f) 退火前（藍線）和退火后（紅線）單個Pt-Ag TC探針的電流-電壓特性（插圖：打印TC探針的FE-SEM圖像，比例尺：20μm）。g) 測量的熱電電壓作為溫差的函數。虛線表示散裝Pt-Ag接頭的塞貝克系數，6.5 μV/K。打印TC輸出電壓/溫度圖的線性擬合斜率為4.9 μV/K。? 2023 WILEY

圖3. 單個TC探針的反應。a) 用于表征3D打印Pt-Ag TC反應的脈沖激光加熱實驗的示意圖。用來局部加熱Pt-Ag TC結的緊密聚焦連續波激光,?波長為532nm。采用光學斬波器在10、100、1000到1500赫茲的固定頻率下調制激光的光通量。b) 單個方波激光脈沖（功率：110 mW，頻率：10 Hz）所產生的TC的熱電電壓-時間痕跡（SD：標準偏差），不同的激光照明功率為50、80和110 mW，頻率為10 Hz。c-f）當頻率從（c）10 Hz、（d）100 Hz、（e）1000 Hz到（f）1500 Hz增加時，不同激光照明功率50（藍色）、80（綠色）和100毫瓦（紅色）所產生的熱電電壓-時間軌跡。? 2023 WILEY

圖4. 微尺度焦耳加熱的3D測溫。a）3D TC網絡的示意圖，其中有一根懸浮在空氣中的焦耳加熱的銅線。b) 3D TC網絡和受熱銅線排列的光學顯微照片。c) 在微線上施加2.20W電功率時的3D溫度圖。d-g) 當銅線的電功率從（d）0，（e）0.55，（f）1.24，增加到（g）2.20 W時，微尺度上焦耳加熱的3D溫度圖。h-k）當功率從（h）0，（i）0.55，（j）1.24，增加到（k）2.20W時，計算出相應的微焦耳加熱的3D溫度圖。 l）在不同的焦耳加熱功率為0.55（藍色），1.24（綠色）和2.20W（紅色）時，沿Z方向（0，0，z μm）的一維溫度曲線。方點：實驗數據，虛線：用公式（3）擬合，實線：模擬數據。 m) 在（0，0，20μm）的溫度與焦耳加熱功率。方點：實驗數據，虛線：用公式（3）擬合，實線：模擬數據。? 2023 WILEY

圖5. 微尺度上焦耳加熱的4D時空軌跡。a) 3D TC網絡的示意圖，焦耳加熱的銅線懸浮在空氣中，用于時間分辨溫度圖。b) 脈沖周期為110秒的焦耳加熱銅線的電功率為0.55、1.24至2.2 W，相應的電流分別為0.5、0.75和1 A。c-k）每個TC體素的溫度時間追蹤，坐標為（c）（-100，100，z），（d）（0，100，z），（e）（100，100，z），（f）（-100、 0，z），（g）（0，0，z），（h）（100，0，z），（i）（-100，-100，z），（j）（0，-100，z）和（k）（100，-100，z），當z=20，50和80μm。? 2023 WILEY

圖6. 蒸發空間的微熱測量。a-b）當2.20W的電功率應用于銅線時，在高（a）80%RH和低（b）20%RH相對濕度下的三維溫度圖。c) 相對濕度為80%和20%時，實驗和模擬數據的溫度比較。d) 單個TC探針對充滿水的微吸管附近的蒸發冷卻進行溫度掃描的示意圖（插圖：打印TC探針的光學顯微照片，比例尺：20μm）。e-f）當基底在75℃加熱時，通過掃描單個TC探針測量蒸發冷卻。(e）實驗和（f）計算的三維溫度圖。? 2023 WILEY

五、[成果啟示]

總之，本研究采用雙金屬3D打印制造微型熱電裝置開發了4D微測溫技術為探索物理、化學、醫療、環境監測等領域的微觀熱力學鋪平了道路，揭示了3D打印技術在實現多維微器件方面的全部潛力，這些器件不僅在方法學方面，而且在各種電子應用方面都具有前所未有的功能。

原文詳情：Lee, H., Wang, Z., Rao, Q., Lee, S., Huan, X., Liu, Y., Yang, J., Chen, M., Ki, D.-K. and Kim, J.T. (2023), Additive Manufacturing of Thermoelectric Microdevices for Four-Dimensional Thermometry. Adv. Mater. 2301704.

https://doi.org/10.1002/adma.202301704

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