專利名稱：一種測量薄膜熱電性能參數(shù)的裝置和方法
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，能同時測量薄膜材料的熱導(dǎo)率K、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= —(I) K
公式(I)中，S為塞貝克系數(shù)，K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?，F(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K、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；待測樣品的第一個接觸點(diǎn)連接熱沉，另外第二、第三、第四三個接觸點(diǎn)分別各連接一個測溫裝置，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)之間連一個電壓表，用來測量兩個接觸點(diǎn)之間的電勢差；利用數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)時監(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Ptl00、Ptl0、Ptl000、Cu50和CulOO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第一接觸點(diǎn)連接熱沉，另外三個接觸點(diǎn)分別連接一個電阻加熱
器；
3)對其中第一、第二兩個接觸點(diǎn)輸入電流，測量另外第三、第四兩個接觸點(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
K ；
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。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下顯而易見的突出特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)有的測量裝置，大都采用不同方式分別測量薄膜的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)，功能單一而且不方便操作。本發(fā)明測量裝置體積小，成本低，可以直接得到所有相關(guān)的熱電參數(shù)，并且對接觸電阻不敏感，通過本方法直接測量得到的ZT值可以和(I)式求出的ZT值相互驗(yàn)證，證明所得結(jié)果的正確性。


圖I為一種測量薄膜熱電性能參數(shù)的裝置結(jié)構(gòu)示意圖(方形)
圖2為一種測量薄膜熱電性能參數(shù)的裝置結(jié)構(gòu)示意圖(圓形)
圖3為一種測量薄膜熱電性能參數(shù)的裝置結(jié)構(gòu)示意圖(不規(guī)則多邊形)
圖4為實(shí)施例中測得的Ni的電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系 圖5為實(shí)施例中測得的Ni的熱導(dǎo)率和溫度的關(guān)系 圖6為實(shí)施例中測得的Ni的塞貝克系數(shù)和溫度的關(guān)系 圖7為實(shí)施例中測得的Ni的熱電優(yōu)值和溫度的關(guān)系 圖8為實(shí)施例中測得的InSb的電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系 圖9為實(shí)施例中測得的InSb的塞貝克系數(shù)和溫度的關(guān)系 圖10為實(shí)施例中測得的InSb的熱導(dǎo)率和溫度的關(guān)系 圖11為實(shí)施例中測得的InSb的熱電優(yōu)值和溫度的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例一
參見圖廣圖3，本測量包括測溫裝置(2、3、4)、數(shù)據(jù)采集裝置(8)、熱沉(I)、電流源
(7)、載物臺(5)、計(jì)算機(jī)(9)、控溫箱(10)和電壓表(6)，其特征在于所述待測樣品固定在載物臺(5)上；待測樣品的第一個接觸點(diǎn)(I')連接熱沉(1)，另外第二、第三、第四三個接觸點(diǎn)(2' )、(3' )、(4')分別各連接一個測溫裝置，電源(11)經(jīng)控溫箱(10)連接至電流源(7)，電流源(7)連接至熱沉(1)，測溫裝置a (2)，測溫裝置b (3)和測溫裝置c (4)連接電壓表(6 )，電流源(7 )和電壓表(6 )連接至數(shù)據(jù)采集裝置(8 )，數(shù)據(jù)采集裝置(8 )的輸 出連接至計(jì)算機(jī)(9);電流源(7)提供測溫裝置(2、3、4)所需要的電流，輸入直流或交流信號；第三接觸點(diǎn)(3')和第四接觸點(diǎn)(4')之間連一個電壓表(6)，用來測量兩個接觸點(diǎn)之間的電勢差；利用數(shù)據(jù)采集裝置(8)實(shí)時監(jiān)測記錄實(shí)驗(yàn)所需的各項(xiàng)參數(shù)；利用計(jì)算機(jī)(9)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。實(shí)施例二
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處在于所述待測薄膜可以是均勻薄膜或者非均勻薄膜，且可以是任意形狀。測溫裝置(2、3、4)為Ptl00、Ptl0、Ptl000、Cu50或CulOO測溫電阻，或者是熱電偶。接觸點(diǎn)是一系列的接觸點(diǎn)，所述接觸點(diǎn)的個數(shù)是Γ20個。測量的操作步驟如下
1)所述樣品需裁剪成與所述載物臺(5)相似的形狀；
2)待測薄膜樣品的第一個接觸點(diǎn)(Γ)連接熱沉(1)，另外第二、第三、第四三個接觸點(diǎn)(2'、3'、4')分別連接一個測溫電阻(2、3、4);
3)對所述第一、第二兩個接觸點(diǎn)(I'、2')輸入電流，測量另外第三、第四兩個接觸點(diǎn)(3'、4')之間的電壓，再對第一、第三接觸點(diǎn)(I'、3')輸入電流，測量第二、第四接觸點(diǎn)(.2'、4')之間的電壓,根據(jù)范德堡方程 exp( π ο dR21；43) + exp ( η σ dR31，42) = I 推算出所述待測樣品的電導(dǎo)率σ ;
4)由于接觸點(diǎn)(I')連接了一個熱沉(1)，是樣品中唯一的熱接觸，第一接觸點(diǎn)(Γ )和第二接觸點(diǎn)(2')之間的熱流相當(dāng)于加熱器產(chǎn)生的熱量；第二接觸點(diǎn)(2')作為熱源，測量第三接觸點(diǎn)(3')和第四接觸點(diǎn)(4')之間的溫度差，再把第三接觸點(diǎn)(3')作為熱源，測量第二接觸點(diǎn)(2')和第四接觸點(diǎn)(4')之間的溫度差，根據(jù)范德堡方程
exp( Kdfk) + exp( π Kdf^) = I推算出所述待測樣品的熱導(dǎo)率κ ；
d' λ.
5)測量第二接觸點(diǎn)(2')和第四接觸點(diǎn)(4')之間的溫度差和電壓，測量第三接觸點(diǎn)(3,)和第四接觸點(diǎn)(4')之間的溫度差和電壓，根據(jù)塞貝克系數(shù)的定義式S=，計(jì)
算出待測薄膜樣品的塞貝克系數(shù)S ；
6)第二接觸點(diǎn)(2')和第一接觸點(diǎn)(Γ)之間分別通過交流和直流電流，測量第三接
觸點(diǎn)(3')和第四接觸點(diǎn)(4')之間的電壓，根據(jù)公式
權(quán)利要求
1.一種測量薄膜熱電性能參數(shù)的裝置，包括測溫裝置(2、3、4)、數(shù)據(jù)采集裝置(8)、熱沉(I)、電流源(7)、載物臺(5)、計(jì)算機(jī)(9)、控溫箱(10)和電壓表(6)，其特征在于所述待測樣品固定在載物臺(5)上；待測樣品的第一個接觸點(diǎn)(I')連接熱沉(1)，另外第二、第三、第四三個接觸點(diǎn)(2' )、(3' )、(4')分別各連接一個測溫裝置，電源(11)經(jīng)控溫箱(10)連接至電流源(7)，電流源(7)連接至熱沉(1)，測溫裝置a (2)，測溫裝置b (3)和測溫裝置c (4 )連接電壓表(6 )，電流源(7 )和電壓表(6 )連接至數(shù)據(jù)采集裝置(8 )，數(shù)據(jù)采集裝置(8)的輸出連接至計(jì)算機(jī)(9);電流源(7)提供測溫裝置(2、3、4)所需要的電流，輸入直流或交流信號；第三接觸點(diǎn)(3')和第四接觸點(diǎn)(4')之間連一個電壓表(6)，用來測量兩個接觸點(diǎn)之間的電勢差；利用數(shù)據(jù)采集裝置(8)實(shí)時監(jiān)測記錄實(shí)驗(yàn)所需的各項(xiàng)參數(shù)；利用計(jì)算機(jī)(9)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。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種測量薄膜熱電性能參數(shù)的裝置，其特征在于所述待測薄膜可以是均勻薄膜或者非均勻薄膜，且可以是任意形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種測量薄膜熱電性能參數(shù)的裝置，其特征在于所述測溫裝置(2、3、4)為Ptl00、Ptl0、Ptl000、Cu50或CulOO測溫電阻，或者是熱電偶。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種測量薄膜熱電性能參數(shù)的裝置，其特征在于接觸點(diǎn)是一系列的接觸點(diǎn)，所述接觸點(diǎn)的個數(shù)是Γ20個。
5.一種測量薄膜熱電性能參數(shù)的裝置，采用根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量薄膜熱電性能參數(shù)的裝置進(jìn)行測量，其特征在于測量的操作步驟如下 1)所述樣品需裁剪成與所述載物臺(5)相似的形狀； 2)待測薄膜樣品的第一個接觸點(diǎn)(Γ)連接熱沉(1)，另外第二、第三、第四三個接觸點(diǎn)(2'、3'、4')分別連接一個測溫電阻(2、3、4); 3)對所述第一、第二兩個接觸點(diǎn)(I'、2')輸入電流，測量另外第三、第四兩個接觸點(diǎn)(3'、4')之間的電壓，再對第一、第三接觸點(diǎn)(I'、3')輸入電流，測量第二、第四接觸點(diǎn)(.2'、4')之間的電壓,根據(jù)范德堡方程 exp( π ο dR21；43) + exp ( η σ dR31，42) = I 推算出所述待測樣品的電導(dǎo)率σ ; 4)由于接觸點(diǎn)(Γ)連接了一個熱沉(1)，是樣品中唯一的熱接觸，第一接觸點(diǎn)(Γ )和第二接觸點(diǎn)(2')之間的熱流相當(dāng)于加熱器產(chǎn)生的熱量；第二接觸點(diǎn)(2')作為熱源，測量第三接觸點(diǎn)(3')和第四接觸點(diǎn)(4')之間的溫度差，再把第三接觸點(diǎn)(3')作為熱源，測量第二接觸點(diǎn)(2')和第四接觸點(diǎn)(4')之間的溫度差，根據(jù)范德堡方程exp( π Kd + exp( π Kd^) = I推算出所述待測樣品的熱導(dǎo)率K ； 5)測量第二接觸點(diǎn)(2')和第四接觸點(diǎn)(4')之間的溫度差和電壓，測量第三接觸點(diǎn)(3')和第四接觸點(diǎn)(4')之間的溫度差和電壓，根據(jù)塞貝克系數(shù)的定義式S=# =，計(jì)算出待測薄膜樣品的塞貝克系數(shù)S ； 6)第二接觸點(diǎn)(2')和第一接觸點(diǎn)(Γ)之間分別通過交流和直流電流，測量第三接觸點(diǎn)(3')和第四接觸點(diǎn)(4')之間的電壓，根據(jù)公式
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量薄膜熱電性能參數(shù)的裝置和方法，本裝置主體包括有測溫電阻、熱沉、電流源、載物臺、數(shù)據(jù)采集裝置、計(jì)算機(jī)、控溫箱、電壓表；待測樣品固定在載物臺上；待測樣品的一條邊連接一個熱沉，另外三條邊分別連接一個測溫電阻；利用電流源控制測量裝置所需的電流，并利用數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)時監(jiān)測記錄薄膜熱電材料的各項(xiàng)性能參數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于能夠利用同一套裝置同時測量不同形狀薄膜熱電材料的熱導(dǎo)系數(shù)、塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)系數(shù)以及熱電優(yōu)值，并把測量得到的熱電優(yōu)值和公式計(jì)算值進(jìn)行比較；測量全程采用四線制，基本沒有接觸電阻的影響。本裝置和方法原理簡單，操作方便，體積小巧，測試功能多，測量精度高。
文檔編號G01N25/20GK102914560SQ20121039051
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者胡志宇, 曾志剛, 林聰 申請人:上海大學(xué)