专利名称：一种测量薄膜热电性能参数的装置和方法
技术领域：
本发明属于材料性能测试技术领域，具体涉及一种测量薄膜热电性能参数的装置和方法，能同时测量薄膜材料的热导率K、电导率σ、塞贝克系数S和热电优值ZT。
背景技术：
热电材料的效率与无量纲的热电优值成正比
ZT= —(I) K
公式(I)中，S为塞贝克系数，K为热导率，σ为电导率，T为绝对温度。寻找改善热电性能的材料，需要简单、有效的表征方法。现有的测量装置和方法，主要存在以下几方面的问题1.大都采用不同方式分别测量薄膜的电导率、热导率和塞贝克系数，电导率较多采用四线制或两线制进行测量，热导率通过稳态法或瞬态发得到，塞贝克系数的测量则通常采用两端温差法测定。这种用不同装置评估总体热电性能(即热电优值)无可避免的教入教大的误差，而且目前尚没有相关装置能够同时得到薄膜材料的热导率、电导率、塞贝克系数和热电优值。2.现有的一些热电性能评价系统只能测量块体热电材料的性能，对于薄膜材料则力不从心。3.现有的测量方式需要严格的样品准备，而且测量精度并不高。随着热电器件的逐渐薄膜化，以及超晶格等热电薄膜材料的应用，迫切需要一种精确测量薄膜材料电导率、热导率、塞贝克系数和热电优值的热电性能评价方法。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种测量薄膜热电性能参数的装置和方法，通过这种方法可以直接得到所有相关的参数，比如热导率K、电导率σ、塞贝克系数S和热电优值。这种方法对接触电阻是不敏感的。这种方法很容易实施，而且不需要大量的样品准备和尖端的设备。为达到上述目的，本发明的技术方案是
一种测量薄膜热电性能参数的装置，包括测温装置、数据采集装置、热沉、电流源、载物台、计算机、控温箱和电压表，其特征在于所述待测样品固定在载物台上；待测样品的第一个接触点连接热沉，另外第二、第三、第四三个接触点分别各连接一个测温装置，电源经控温箱连接至电流源，电流源连接至热沉，测温装置连接电压表，电流源和电压表连接至数据采集装置，数据采集装置的输出连接至计算机；电流源提供测温装置所需要的电流，输入直流或交流信号；第三接触点和第四接触点之间连一个电压表，用来测量两个接触点之间的电势差；利用数据采集装置实时监测记录实验所需的各项参数；利用计算机对数据进行分析处理，得到待测薄膜的热导率、电导率、塞贝克系数和热电优值。上述测温装置包括Ptl00、Ptl0、Ptl000、Cu50和CulOO测温电阻，或者热电偶。一种测量薄膜热电性能参数的方法，使用上述的测量薄膜热电性能参数的装置进行测量，其特征在于具体操作步骤为1)制备若干个不同厚度的待测薄膜样品，并裁剪与所述载物台5类似的形状；
2)待测薄膜样品的一个第一接触点连接热沉，另外三个接触点分别连接一个电阻加热
器；
3)对其中第一、第二两个接触点输入电流，测量另外第三、第四两个接触点之间的电压，再对第一、第三接触点输入电流，测量第二、第四接触点之间的电压，根据范德堡方程推算出所述待测样品的电导率σ ;
4)由于第一接触点连接了一个热沉，是样品中唯一的热接触，第一和第二接触点之间的热流相当于加热器产生的热量；
5)第二接触点作为热源，测量第三、第四接触点之间的温度差，再把第三接触点作为热源，测量第二、第四接触点之间的温度差，根据范德堡方程推算出所述待测样品的热导率
K ；
6)测量第二、第四接触点之间的温度差和电压，测量第三和第四接触点之间的温度差和电压，根据塞贝克系数的定义式，计算出待测薄膜样品的塞贝克系数S ;
7)第二和第一接触点之间分别通过交流和直流电流，测量第三和第四接触点之间的电压，根据公式可以推算出薄膜材料的ZT值，采用一个控温箱就可以得到不同温度下薄膜材料的热电优值。用步骤7)中得到的ZT值和用步骤3)、5)、6)分别得到的电导率σ、热导率κ、塞贝克系数S求出的ZT值作比较，检测结果的精确度。本发明与现有技术相比具有如下显而易见的突出特点和显著优点现有的测量装置，大都采用不同方式分别测量薄膜的热导率、电导率和塞贝克系数，功能单一而且不方便操作。本发明测量装置体积小，成本低，可以直接得到所有相关的热电参数，并且对接触电阻不敏感，通过本方法直接测量得到的ZT值可以和(I)式求出的ZT值相互验证，证明所得结果的正确性。
图I为一种测量薄膜热电性能参数的装置结构示意图(方形)
图2为一种测量薄膜热电性能参数的装置结构示意图(圆形)
图3为一种测量薄膜热电性能参数的装置结构示意图(不规则多边形)
图4为实施例中测得的Ni的电导率和温度的关系 图5为实施例中测得的Ni的热导率和温度的关系 图6为实施例中测得的Ni的塞贝克系数和温度的关系 图7为实施例中测得的Ni的热电优值和温度的关系 图8为实施例中测得的InSb的电导率和温度的关系 图9为实施例中测得的InSb的塞贝克系数和温度的关系 图10为实施例中测得的InSb的热导率和温度的关系 图11为实施例中测得的InSb的热电优值和温度的关系。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
参见图广图3，本测量包括测温装置(2、3、4)、数据采集装置(8)、热沉(I)、电流源
(7)、载物台(5)、计算机(9)、控温箱(10)和电压表(6)，其特征在于所述待测样品固定在载物台(5)上；待测样品的第一个接触点(I')连接热沉(1)，另外第二、第三、第四三个接触点(2' )、(3' )、(4')分别各连接一个测温装置，电源(11)经控温箱(10)连接至电流源(7)，电流源(7)连接至热沉(1)，测温装置a (2)，测温装置b (3)和测温装置c (4)连接电压表(6 )，电流源(7 )和电压表(6 )连接至数据采集装置(8 )，数据采集装置(8 )的输 出连接至计算机(9);电流源(7)提供测温装置(2、3、4)所需要的电流，输入直流或交流信号；第三接触点(3')和第四接触点(4')之间连一个电压表(6)，用来测量两个接触点之间的电势差；利用数据采集装置(8)实时监测记录实验所需的各项参数；利用计算机(9)对数据进行分析处理，得到待测薄膜的热导率、电导率、塞贝克系数和热电优值。实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于所述待测薄膜可以是均匀薄膜或者非均匀薄膜，且可以是任意形状。测温装置(2、3、4)为Ptl00、Ptl0、Ptl000、Cu50或CulOO测温电阻，或者是热电偶。接触点是一系列的接触点，所述接触点的个数是Γ20个。测量的操作步骤如下
1)所述样品需裁剪成与所述载物台(5)相似的形状；
2)待测薄膜样品的第一个接触点(Γ)连接热沉(1)，另外第二、第三、第四三个接触点(2'、3'、4')分别连接一个测温电阻(2、3、4);
3)对所述第一、第二两个接触点(I'、2')输入电流，测量另外第三、第四两个接触点(3'、4')之间的电压，再对第一、第三接触点(I'、3')输入电流，测量第二、第四接触点(.2'、4')之间的电压,根据范德堡方程 exp( π ο dR21；43) + exp ( η σ dR31，42) = I 推算出所述待测样品的电导率σ ;
4)由于接触点(I')连接了一个热沉(1)，是样品中唯一的热接触，第一接触点(Γ )和第二接触点(2')之间的热流相当于加热器产生的热量；第二接触点(2')作为热源，测量第三接触点(3')和第四接触点(4')之间的温度差，再把第三接触点(3')作为热源，测量第二接触点(2')和第四接触点(4')之间的温度差，根据范德堡方程
exp( Kdfk) + exp( π Kdf^) = I推算出所述待测样品的热导率κ ；
d' λ.
5)测量第二接触点(2')和第四接触点(4')之间的温度差和电压，测量第三接触点(3,)和第四接触点(4')之间的温度差和电压，根据塞贝克系数的定义式S=，计
算出待测薄膜样品的塞贝克系数S ；
6)第二接触点(2')和第一接触点(Γ)之间分别通过交流和直流电流，测量第三接
触点(3')和第四接触点(4')之间的电压，根据公式
权利要求
1.一种测量薄膜热电性能参数的装置，包括测温装置(2、3、4)、数据采集装置(8)、热沉(I)、电流源(7)、载物台(5)、计算机(9)、控温箱(10)和电压表(6)，其特征在于所述待测样品固定在载物台(5)上；待测样品的第一个接触点(I')连接热沉(1)，另外第二、第三、第四三个接触点(2' )、(3' )、(4')分别各连接一个测温装置，电源(11)经控温箱(10)连接至电流源(7)，电流源(7)连接至热沉(1)，测温装置a (2)，测温装置b (3)和测温装置c (4 )连接电压表(6 )，电流源(7 )和电压表(6 )连接至数据采集装置(8 )，数据采集装置(8)的输出连接至计算机(9);电流源(7)提供测温装置(2、3、4)所需要的电流，输入直流或交流信号；第三接触点(3')和第四接触点(4')之间连一个电压表(6)，用来测量两个接触点之间的电势差；利用数据采集装置(8)实时监测记录实验所需的各项参数；利用计算机(9)对数据进行分析处理，得到待测薄膜的热导率、电导率、塞贝克系数和热电优值。
2.根据权利要求I所述的一种测量薄膜热电性能参数的装置，其特征在于所述待测薄膜可以是均匀薄膜或者非均匀薄膜，且可以是任意形状。
3.根据权利要求I所述的一种测量薄膜热电性能参数的装置，其特征在于所述测温装置(2、3、4)为Ptl00、Ptl0、Ptl000、Cu50或CulOO测温电阻，或者是热电偶。
4.根据权利要求I所述的一种测量薄膜热电性能参数的装置，其特征在于接触点是一系列的接触点，所述接触点的个数是Γ20个。
5.一种测量薄膜热电性能参数的装置，采用根据权利要求I所述的测量薄膜热电性能参数的装置进行测量，其特征在于测量的操作步骤如下 1)所述样品需裁剪成与所述载物台(5)相似的形状； 2)待测薄膜样品的第一个接触点(Γ)连接热沉(1)，另外第二、第三、第四三个接触点(2'、3'、4')分别连接一个测温电阻(2、3、4); 3)对所述第一、第二两个接触点(I'、2')输入电流，测量另外第三、第四两个接触点(3'、4')之间的电压，再对第一、第三接触点(I'、3')输入电流，测量第二、第四接触点(.2'、4')之间的电压,根据范德堡方程 exp( π ο dR21；43) + exp ( η σ dR31，42) = I 推算出所述待测样品的电导率σ ; 4)由于接触点(Γ)连接了一个热沉(1)，是样品中唯一的热接触，第一接触点(Γ )和第二接触点(2')之间的热流相当于加热器产生的热量；第二接触点(2')作为热源，测量第三接触点(3')和第四接触点(4')之间的温度差，再把第三接触点(3')作为热源，测量第二接触点(2')和第四接触点(4')之间的温度差，根据范德堡方程exp( π Kd + exp( π Kd^) = I推算出所述待测样品的热导率K ； 5)测量第二接触点(2')和第四接触点(4')之间的温度差和电压，测量第三接触点(3')和第四接触点(4')之间的温度差和电压，根据塞贝克系数的定义式S=# =，计算出待测薄膜样品的塞贝克系数S ； 6)第二接触点(2')和第一接触点(Γ)之间分别通过交流和直流电流，测量第三接触点(3')和第四接触点(4')之间的电压，根据公式
全文摘要
本发明涉及一种测量薄膜热电性能参数的装置和方法，本装置主体包括有测温电阻、热沉、电流源、载物台、数据采集装置、计算机、控温箱、电压表；待测样品固定在载物台上；待测样品的一条边连接一个热沉，另外三条边分别连接一个测温电阻；利用电流源控制测量装置所需的电流，并利用数据采集装置实时监测记录薄膜热电材料的各项性能参数。本发明的优点在于能够利用同一套装置同时测量不同形状薄膜热电材料的热导系数、塞贝克系数、电导系数以及热电优值，并把测量得到的热电优值和公式计算值进行比较；测量全程采用四线制，基本没有接触电阻的影响。本装置和方法原理简单，操作方便，体积小巧，测试功能多，测量精度高。
文档编号G01N25/20GK102914560SQ20121039051
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月16日 优先权日2012年10月16日
发明者胡志宇, 曾志刚, 林聪 申请人:上海大学