[發(fā)明專利]一種測量薄膜熱電性能參數(shù)的裝置和方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210390517.7
• 申請日: 2012-10-16
• 公開（公告）號: CN102914560A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡志宇;曾志剛;林聰
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01R27/14
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料性能測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種測量薄膜熱電性能參數(shù)的裝置和方法，能同時(shí)測量薄膜材料的熱導(dǎo)率κ、電導(dǎo)率σ、塞貝克系數(shù)S和熱電優(yōu)值ZT。

背景技術(shù)

熱電材料的效率與無量綱的熱電優(yōu)值成正比：

ZT=?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????（1）

公式（1）中，S為塞貝克系數(shù)，κ為熱導(dǎo)率，σ為電導(dǎo)率，?T為絕對溫度。尋找改善熱電性能的材料，需要簡單、有效的表征方法。現(xiàn)有的測量裝置和方法，主要存在以下幾方面的問題：1.大都采用不同方式分別測量薄膜的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)，電導(dǎo)率較多采用四線制或兩線制進(jìn)行測量，熱導(dǎo)率通過穩(wěn)態(tài)法或瞬態(tài)發(fā)得到，塞貝克系數(shù)的測量則通常采用兩端溫差法測定。這種用不同裝置評估總體熱電性能（即熱電優(yōu)值）無可避免的教入教大的誤差，而且目前尚沒有相關(guān)裝置能夠同時(shí)得到薄膜材料的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)和熱電優(yōu)值。2.現(xiàn)有的一些熱電性能評價(jià)系統(tǒng)只能測量塊體熱電材料的性能，對于薄膜材料則力不從心。3.現(xiàn)有的測量方式需要嚴(yán)格的樣品準(zhǔn)備，而且測量精度并不高。隨著熱電器件的逐漸薄膜化，以及超晶格等熱電薄膜材料的應(yīng)用，迫切需要一種精確測量薄膜材料電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)和熱電優(yōu)值的熱電性能評價(jià)方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種測量薄膜熱電性能參數(shù)的裝置和方法，通過這種方法可以直接得到所有相關(guān)的參數(shù)，比如熱導(dǎo)率κ、電導(dǎo)率σ、塞貝克系數(shù)S和熱電優(yōu)值。這種方法對接觸電阻是不敏感的。這種方法很容易實(shí)施，而且不需要大量的樣品準(zhǔn)備和尖端的設(shè)備。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種測量薄膜熱電性能參數(shù)的裝置，包括：測溫裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、熱沉、電流源、載物臺、計(jì)算機(jī)、控溫箱和電壓表，其特征在于：所述待測樣品固定在載物臺上；待測樣品的第一個(gè)接觸點(diǎn)連接熱沉，另外第二、第三、第四三個(gè)接觸點(diǎn)分別各連接一個(gè)測溫裝置，電源經(jīng)控溫箱連接至電流源，電流源連接至熱沉,測溫裝置連接電壓表，電流源和電壓表連接至數(shù)據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)采集裝置的輸出連接至計(jì)算機(jī)；電流源提供測溫裝置所需要的電流，輸入直流或交流信號；第三接觸點(diǎn)和第四接觸點(diǎn)之間連一個(gè)電壓表，用來測量兩個(gè)接觸點(diǎn)之間的電勢差；利用數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測記錄實(shí)驗(yàn)所需的各項(xiàng)參數(shù)；利用計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到待測薄膜的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)和熱電優(yōu)值。

上述測溫裝置包括Pt100、Pt10、Pt1000、Cu50和Cu100測溫電阻，或者熱電偶。

一種測量薄膜熱電性能參數(shù)的方法，使用上述的測量薄膜熱電性能參數(shù)的裝置進(jìn)行測量，其特征在于：具體操作步驟為：

1）?????制備若干個(gè)不同厚度的待測薄膜樣品，并裁剪與所述載物臺5類似的形狀；

2）?????待測薄膜樣品的一個(gè)第一接觸點(diǎn)連接熱沉，另外三個(gè)接觸點(diǎn)分別連接一個(gè)電阻加熱器；

3）?????對其中第一、第二兩個(gè)接觸點(diǎn)輸入電流，測量另外第三、第四兩個(gè)接觸點(diǎn)之間的電壓，再對第一、第三接觸點(diǎn)輸入電流，測量第二、第四接觸點(diǎn)之間的電壓，根據(jù)范德堡方程推算出所述待測樣品的電導(dǎo)率σ；

4）?????由于第一接觸點(diǎn)連接了一個(gè)熱沉，是樣品中唯一的熱接觸，第一和第二接觸點(diǎn)之間的熱流相當(dāng)于加熱器產(chǎn)生的熱量；

5）?????第二接觸點(diǎn)作為熱源，測量第三、第四接觸點(diǎn)之間的溫度差，再把第三接觸點(diǎn)作為熱源，測量第二、第四接觸點(diǎn)之間的溫度差，根據(jù)范德堡方程推算出所述待測樣品的熱導(dǎo)率κ；

6）?????測量第二、第四接觸點(diǎn)之間的溫度差和電壓，測量第三和第四接觸點(diǎn)之間的溫度差和電壓，根據(jù)塞貝克系數(shù)的定義式，計(jì)算出待測薄膜樣品的塞貝克系數(shù)S；

7）?????第二和第一接觸點(diǎn)之間分別通過交流和直流電流，測量第三和第四接觸點(diǎn)之間的電壓，根據(jù)公式可以推算出薄膜材料的ZT值，采用一個(gè)控溫箱就可以得到不同溫度下薄膜材料的熱電優(yōu)值。

用步驟7）中得到的ZT值和用步驟3）、5）、6）分別得到的電導(dǎo)率σ、熱導(dǎo)率κ、塞貝克系數(shù)S求出的ZT值作比較，檢測結(jié)果的精確度。