Advanced Materials：增材制造制备用于四维测温的热电微器件

一、[导读]

温度计是人们最熟知的测温设备，其原理是检测各种物理量的变化。随着人们在各个领域探索深度增加，提高温度计的灵敏度、空间分辨率和可扩展性是一个巨大的挑战。例如，以高时空分辨率解析三维（3D）温度场对于探索各种微观系统中的热力学有很大的需求。在各类温度计中，热电偶（TC）具有配置简单和可无源操作的优点而被广泛研究，用于高空间分辨率测温的TC器件一个显著的进展是扫描热显微镜（SThM）的发明，其可使用热电偶集成扫描纳米探针绘制纳米尺度的平面内温度场。然而，SThM探针的制造涉及重复的光刻、蚀刻和沉积工艺，这限制了实用性，并且测量依赖于具有大约100 μm×100 μm窄范围和几个Hz扫描速度的逐点串行扫描方式。为了在测温中实现并行化方案，科研人员已经进行了大量工作来制造二维（2D）的TC阵列。然而，由于与3D TC制造相关的技术挑战，微尺度的四维（4D＝3D空间+1D时间）测温尚未实现。此研究通过开发了一种高分辨率双金属打印技术，建立悬浮在空气中的TC微探针的3D网络，该打印设备能够以毫秒级时间分辨率绘制4D微尺度温度场。

二、[成果掠影]

中国香港大学Dong-Keun Ki和Ji Tae Kim研究团队报道了一种三维（3D）打印的微型热电装置，通过开发一种高分辨率双金属打印技术，建立悬浮在空气中的TC微探针的3D网络，并证明该打印设备能够以毫秒级的时间分辨率绘制4D（三维空间+一维时间）的微尺度温度场。该设备由独立的热电偶探针网络组成，通过双金属3D打印制造，具有微米级的出色空间分辨率。研究表明，所开发的4D测温可以在微电极或弯液面等感兴趣的微尺度物体上探索焦耳加热或蒸发冷却动力学。3D打印的使用进一步开辟了自由实现在各种片上、独立式微传感器或微电子器件测温的可能性，不再受制造工艺的设计限制。相关成果以“Additive Manufacturing of Thermoelectric Microdevices for Four-Dimensional Thermometry”发表在Advanced Materials上。

三、[核心创新点]

开发了一种三维(3D)打印的微型热电装置，可以在微观尺度上直接进行四维(3D空间+时间)温度测量，空间分辨率达微米级，可用于探索焦耳加热或蒸发冷却的动力学。

四、[数据概览]

图1. 3D TC网络。a) 示意图显示了在图案化电极基板上由3×3×3 Pt-Ag TC组成的3D打印TC网络。b) 1×3的TCs垂直集成，Tn由测量电压Vn、打印的TC结塞贝克系数S和基底温度TR得出。c）3D TC网络芯片。d) 3D打印TC网络的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像，共有27个Pt-Ag结（比例尺：50μm）。 e) 1×3Pt-Ag TC的FE-SEM图像（比例尺：20μm）和相应的独立Pt和Ag微导线的能量色散X射线光谱（EDS）图像。(比例尺：20μm）。© 2023 WILEY

图2:弯月面引导的3D打印和打印Pt-Ag TC的表征。a-e）打印过程示意图和实时光学显微照片（比例尺：20μm）；(a) 充满PtNP墨水的玻璃吸管（直径：约3微米）首先接近基底附近，形成一个fL大小的弯月面，并在快速蒸发下引导弯月面向垂直方向移动，从而产生独立的微线； (b) 通过垂直拉动移液器（打印速度：2μm/s）打印出铂金微线；(c) Pt线的打印过程是通过一个充满AgNP墨水的微吸管（直径：2 ~ 3 μm）垂直拉动；(d) Ag线被引导到打印的Pt微结构的顶点，形成双金属结；(e) Ag线的生长按意愿水平终止，形成Pt-Ag TC结。f) 退火前（蓝线）和退火后（红线）单个Pt-Ag TC探针的电流-电压特性（插图：打印TC探针的FE-SEM图像，比例尺：20μm）。g) 测量的热电电压作为温差的函数。虚线表示散装Pt-Ag接头的塞贝克系数，6.5 μV/K。打印TC输出电压/温度图的线性拟合斜率为4.9 μV/K。© 2023 WILEY

图3. 单个TC探针的反应。a) 用于表征3D打印Pt-Ag TC反应的脉冲激光加热实验的示意图。用来局部加热Pt-Ag TC结的紧密聚焦连续波激光, 波长为532nm。采用光学斩波器在10、100、1000到1500赫兹的固定频率下调制激光的光通量。b) 单个方波激光脉冲（功率：110 mW，频率：10 Hz）所产生的TC的热电电压-时间痕迹（SD：标准偏差），不同的激光照明功率为50、80和110 mW，频率为10 Hz。c-f）当频率从（c）10 Hz、（d）100 Hz、（e）1000 Hz到（f）1500 Hz增加时，不同激光照明功率50（蓝色）、80（绿色）和100毫瓦（红色）所产生的热电电压-时间轨迹。© 2023 WILEY

图4. 微尺度焦耳加热的3D测温。a）3D TC网络的示意图，其中有一根悬浮在空气中的焦耳加热的铜线。b) 3D TC网络和受热铜线排列的光学显微照片。c) 在微线上施加2.20W电功率时的3D温度图。d-g) 当铜线的电功率从（d）0，（e）0.55，（f）1.24，增加到（g）2.20 W时，微尺度上焦耳加热的3D温度图。h-k）当功率从（h）0，（i）0.55，（j）1.24，增加到（k）2.20W时，计算出相应的微焦耳加热的3D温度图。 l）在不同的焦耳加热功率为0.55（蓝色），1.24（绿色）和2.20W（红色）时，沿Z方向（0，0，z μm）的一维温度曲线。方点：实验数据，虚线：用公式（3）拟合，实线：模拟数据。 m) 在（0，0，20μm）的温度与焦耳加热功率。方点：实验数据，虚线：用公式（3）拟合，实线：模拟数据。© 2023 WILEY

图5. 微尺度上焦耳加热的4D时空轨迹。a) 3D TC网络的示意图，焦耳加热的铜线悬浮在空气中，用于时间分辨温度图。b) 脉冲周期为110秒的焦耳加热铜线的电功率为0.55、1.24至2.2 W，相应的电流分别为0.5、0.75和1 A。c-k）每个TC体素的温度时间追踪，坐标为（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），当z=20，50和80μm。© 2023 WILEY

图6. 蒸发空间的微热测量。a-b）当2.20W的电功率应用于铜线时，在高（a）80%RH和低（b）20%RH相对湿度下的三维温度图。c) 相对湿度为80%和20%时，实验和模拟数据的温度比较。d) 单个TC探针对充满水的微吸管附近的蒸发冷却进行温度扫描的示意图（插图：打印TC探针的光学显微照片，比例尺：20μm）。e-f）当基底在75℃加热时，通过扫描单个TC探针测量蒸发冷却。(e）实验和（f）计算的三维温度图。© 2023 WILEY

五、[成果启示]

总之，本研究采用双金属3D打印制造微型热电装置开发了4D微测温技术为探索物理、化学、医疗、环境监测等领域的微观热力学铺平了道路，揭示了3D打印技术在实现多维微器件方面的全部潜力，这些器件不仅在方法学方面，而且在各种电子应用方面都具有前所未有的功能。

原文详情：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

本文由学习供稿