[發明專利]一種薄膜熱電材料性能參數測試裝置、方法及系統

在審

• 申請號: 202011091786.4
• 申請日: 2020-10-13
• 公開（公告）號: CN114354678A
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 狄重安;金文龍;趙文瑞;鄒業;張鳳嬌;孟青;代小娟;朱道本
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01N27/04
• 代理公司: 北京天達知識產權代理事務所(普通合伙) 11386
• 代理人: 姚東華

本發明涉及一種用于薄膜熱電材料性能參數測試裝置、方法及系統，用于解決傳統熱電性能參數測試方法操作復雜、測試速度慢、測試精確度低、并難以滿足大量薄膜熱電材料性能參數的快速簡易測試的問題。本發明測試裝置包括：自下而上設置的基礎溫度控制單元和溫度差控制單元；基礎溫度控制單元用于控制待測樣品所處的基礎溫度；溫度差控制單元用于控制待測樣品兩端的溫度差；溫度差控制單元包括待測樣品承載部，待測樣品承載部用于承載待測樣品。本發明提供的技術方案能夠簡便、快速、精確地測試薄膜熱電材料熱電性能參數且能夠自動處理的薄膜熱電材料熱電性能參數。

技術領域

本發明屬于熱電測試技術領域，具體涉及一種用于薄膜熱電材料性能參數測試的裝置、方法及系統。

背景技術

熱電材料是一種能夠實現熱能與電能之間相互直接轉換的特殊功能材料，為廢熱與自然界熱提供了一種簡單有效的利用方式。作為一種能源轉換材料，熱電材料具有結構緊湊、體積小、沒有運動部件、無噪音、無排泄物(無污染)、可靠性高等優點，在太陽能、地熱能、工業余熱廢熱利用、生物體微溫度差發電、自供電傳感器等方面受到廣泛的研究和應用。在現有技術中，測試熱電材料性能參數的裝置主要面向無機熱電材料進行設計，待測樣品多為堅硬的塊體或厚片，可以無需支撐基底而直接進行測試，且測試部件與待測材料的硬接觸不會對上述無機熱電材料造成損傷。有機熱電材料多為納米至微米量級厚度的薄膜或軟性結構，目前還鮮有專門的測試設備。用于傳統塊體或厚片測試的無機熱電測試設備難以直接應用于無法自支撐的納米至微米量級厚度的薄膜熱電材料的性能參數測試。

在熱電材料性能參數測試方面，塞貝克系數和電導率的精確表征是最為重要的內容之一。材料的塞貝克系數S可以表示為：S＝ΔV/ΔT，式中，ΔT為材料兩端的溫度差，ΔV為該溫度差下材料兩端產生的塞貝克電壓。在測試材料的塞貝克系數時，首先需要在樣品兩端創建一個溫度差，測量該溫度差下樣品兩端產生的電壓即為塞貝克電壓。傳統測試方法通常采用測溫熱電偶和測電壓探針同時測出樣品兩端的溫度差和塞貝克電壓，操作復雜且測試精度低，并且難以直接應用于基底支撐的薄膜熱電材料的塞貝克系數測試。

材料的電導率σ可以通過測試其電阻R以及樣品的尺寸信息計算得到。在電導率測試時，給特定尺寸(長L、寬W、厚度H)的樣品施加電流I，測得其電壓為V，則電阻R＝V/I，電導率σ＝IL/(VWH)。

材料的功率因子PF是熱電性能的重要評估參數之一，由塞貝克系數與電導率共同決定：PF＝S²σ。要得到準確的功率因子，通常要求在同一測試系統且對同一樣品先后進行塞貝克系數和電導率的測試。

以有機材料為代表的薄膜熱電材料具有柔性好、本征熱導率低、室溫區性能優異等特點，在低溫微溫度差發電等方面具有優勢，有望和傳統的無機熱電材料互補，成為新一代柔性電子器件的重要能源器件之一。近年來，薄膜熱電材料的研究經歷了快速發展，然而薄膜熱電材料的主要參數測試目前還缺乏高效快速的設備。有鑒于此，設計一種適用于測試薄膜熱電材料的測試裝置，是目前亟需解決的問題。

發明內容

基于上述分析，本發明旨在提供一種用于薄膜熱電材料性能參數測試的裝置、方法及系統，以解決如下技術問題之一：(1)傳統熱電性能參數測試方法操作復雜；(2)傳統熱電性能參數測試方法測試速度慢、測試精確度低；(3)傳統熱電性能參數測試方法難以滿足大量薄膜熱電材料性能參數的快速簡易測試的實際需求。本發明提供的用于薄膜熱電材料性能參數測試的裝置、方法及系統具有簡便、快速、精確的特點。

本發明的目的主要是通過以下技術方案實現的：

第一方面，本發明實施例提供了一種薄膜熱電材料性能參數測試裝置，包括：自下而上設置的基礎溫度控制單元和溫度差控制單元；

所述基礎溫度控制單元用于控制待測樣品所處的基礎溫度；

所述溫度差控制單元用于控制所述待測樣品兩端的溫度差；