一种微纳米材料热电性能的双温控测量方法与流程

本发明涉及材料性能测试技术领域，特别是涉及一种微纳米材料热电性能的双温控测量方法。

背景技术：

热电材料作为一种能将热能和电能相互转换的功能材料，有望能够缓解当前的能源危机。纳米热电材料由于具有增强的声子散射和量子限制，其热电性能优于体材料的热电性能，这为提高热电材料的热电转换效率开辟了新领域。因此，开发纳米材料热电性能的测量技术至关重要。

目前对单个纳米材料热导率、电导率以及热电性能的测量方法有很多，包括基于mems微制造的悬浮装置、3ω-sthm技术、拉曼热成像、基于一维瞬态传导理论的各种测试方法等。基于mems微制造的悬浮测试装置具有低成本和高精度等优势，而且可以测量的尺寸小到数十纳米的材料。目前普遍采用的桥路法是把单根纳米材料固定在悬浮微结构两端，悬浮微结构两端都有pt电阻线圈，一端起加热作用，另一端起测温作用。上述微结构的缺点在于，需要外界的控温系统来测试不同温度下材料的热电性能。另外，其核心微结构是由悬臂梁支撑，在受热受力作用下很容易受到破坏。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种微纳米材料热电性能的双温控测量方法，不需要辅助控温系统，具有冷热端温度和温差独立且连续可控的优点，还可以结合现代分析测试仪器进行微纳米材料热电性能的原位表征。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种微纳米材料热电性能的双温控测量方法，采用两个独立控温的微加热器，且微加热器由悬空薄膜支撑，包括以下步骤：

(1)将两个独立控温的微加热器放置于真空系统中，连接好测试电路，进行参照组的测试，分别对两个微加热器施加一系列电压和使得两个微加热器分别加热到一系列温度和并且满足两个微加热器的温差为定值δt，其中，下标h和c分别表示热端加热器和冷端加热器；

(2)将待测的微纳米材料两端分别用导电材料固定在两个独立的微加热器上，并通过金属引线引出，再放置于真空系统中，连接好测试电路，进行测试，分别对两个微加热器施加一系列电压和根据两个微加热器的电阻温度系数得到两个微加热器的温度和并且保持两个微加热器的温差为定值δt，同时记录待测的微纳米材料两端的电阻值r和产生的seebeck电压值δv；

(3)利用热平衡原理和傅里叶导热定律计算得出材料的热导率κ，其中：t0为测试过程中的环境温度；和分别为样品组热端和冷端加热器的热通量；和分别为参照组热端加热器和冷端加热器的热通量；l和a分别为待测微纳米材料的长度及横截面积。

所述步骤(2)中在测试电路的两个微加热器上串联一个精密电阻r100，实时记录精密电阻r100两端的电压和分别得到两个微加热器铂电阻丝上的电压和通过的电流，计算出两个微加热器的铂电阻丝的电阻值和热通量。

所述两个微加热器均能够独立从室温加热至700℃。

所述两个微加热器之间的温差δt能够从0℃-700℃连续调控。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明通过自带的两个独立加热器，连续控温方便，能够精确测量不同温度下材料的热导率，能够精确测量不同温度差下材料的热导率；本发明采用膜状结构，稳定性和可靠性好；本发明可以通过mems加工，器件形状可控，可以做成原位表征平台。本发明可以集成电阻和电压测量模块，可以同时记录材料的电阻和seebeck电压。本发明可以结合微纳米材料的各种现代分析测试仪器同时使用，在微纳米材料原位热电性能表征方面具有明显优势。

附图说明

图1是双温控热电测试芯片的核心结构图；

图2是双温控热电测试芯片的制造流程图；

图3是参照组测试原理图；

图4是测试组测试原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种微纳米材料热电性能的双温控测量方法，采用的测试器件为两个独立控温的微加热器，且微加热器由悬空薄膜支撑。

图1为本实施方式采用的测试器件的核心结构。左右两侧悬空的氮化硅薄膜，面积均为400*200μm，间距为3μm，薄膜上分别盘绕的电阻丝用作加热器。两薄膜间隙边缘的电阻丝用作承载测试材料，并进行电学性能测量。当外部电压分别施加至两加热器上，内部产生的电流会使得电阻产生焦耳热，从而使得温度升高。两加热器上产生的热量通过纳米线进行传递，造成两侧温度的变化，电阻丝电阻会发生变化。实时测量两加热器上电阻丝阻值的大小，可以计算出此时两侧薄膜上的温度。

该测试器件的制造流程如图2所示，具体包括以下步骤：

(1)在硅片表面沉积一层氮化硅薄膜，厚度为400nm。

(2)在正面的氮化硅薄膜上刻蚀一条缝隙，定义两个独立的加热区域。

(3)在背面的氮化硅薄膜上刻蚀出湿法腐蚀窗口。

(4)在正面的氮化硅薄膜上制作金属绕线，用作加热器和引线。

(5)将硅片背面暴露的硅腐蚀完全，直至氮化硅薄膜悬空。

采用上述测试器件对单根纳米线进行热电性能测试，测量其热导率、电导率和seebeck系数随温度的变化关系，并对其热电优值进行分析，具体包括以下步骤：

1、将划片之后的测试器件放入烘箱环境中，分别测试器件两加热器的电阻随温度的变化关系。

2、将测试器件放置在真空系统中，连接好测试电路(见图3)，进行参照组(r)的测试。分别对两加热器施加一系列电压和使得两加热器分别加热到一系列温度和并且满足两加热器的温差为定值δt。其中，下标h和c分别标志热端加热器和冷端加热器。

3、利用纳米操纵技术将材料组装并固定到微加热器上(即将待测的微纳米材料两端分别用导电材料固定在两个独立的微加热器上，并通过金属引线引出)，同时记录材料的长度l及横截面积a。

4、将测试样品组装到两端的微加热器后，将搭载样品的测试器件放置在真空系统中，连接好测试电路(见图4)，进行样品组(s)的测试。分别对两加热器施加一系列电压和根据加热器的电阻温度系数得到两加热器的温度和并且保持两加热器的温差为定值δt。同时记录材料两端的电阻值r和产生的seebeck电压值δv。

5、进一步说明，两加热器的温度和所施加电压的关系是通过加热器的电阻随温度变化关系来测得的。也就是说，通过测量和得出和通过在测试电路上串联一个精密电阻r100，实时记录精密电阻两端的电压和从而可以分别得到两加热器铂电阻丝上的电压和通过的电流，从而计算出两加热器铂电阻丝的电阻值和热通量。

6、利用热平衡原理和傅里叶导热定律计算得出材料的热导率κ。式中：t0为测试过程中的环境温度；和分别为样品组热端和冷端加热器的热通量；和分别为参照组热端和冷端加热器的热通量。值得一提的是，可以通过调节参照组的和样品组中的或通过调节参照组的和样品组中的使以及如此可以将测试材料热导率的计算方法简化为或或

材料的热导率κ计算公式推导过程如下：

样品组中，热端和冷端两加热器产生的热量分别为和通过两端悬空基底传导走的热量分别为q1和q2，通过测试材料传导的热量为q^*。根据热平衡原理有：

参照组中，热端和冷端两加热器产生的热量分别为和通过两端悬空基底传导走的热量分别为q′1和q'2。根据热平衡原理有：

根据傅里叶导热定律，假设温度空间分布为一维情况，则有：代入上述热平衡公式进推导，则有：根据一维纳米材料的一维傅里叶导热定律，因此，测试材料的热导率计算公式为：

7、根据材料的热导率，电导率，seebeck系数以及热电优值，对其热电输运性质以及热电转换能力进行分析。

对单根纳米线的热电性能进行原位透射电镜测试，可以观察材料显微结构随温度变化的时间演化，还可以观察大温差下材料显微结构的梯度变化。

将双温控热电测试芯片尺寸做成φ3mm，放入透射电镜样品杆中，接出4根电极引线进行原位测试，或接出6根电极引线进行原位热电性能综合测试。具体过程如下：

(1)将双温控热电测试芯片尺寸做成φ3mm，利用纳米操纵技术将材料组装并固定到微加热器上。

(2)将测试芯片放入带有电极引线的透射电镜样品杆中，将电镜样品杆插入透射电镜，并连接好测试电路，开始原位测试。

(3)对两端加热器分别施加一系列电压和根据加热器的电阻温度系数得到两加热器的温度和使观察材料显微结构随温度变化的时间演化。

(4)对两端加热器分别施加一系列电压和根据加热器的电阻温度系数得到两加热器的温度和使两加热器产生温差δt。控制δt的大小，观察大温差下材料显微结构的梯度变化。

不难发现，本发明通过自带的两个独立加热器，连续控温方便，能够精确测量不同温度下材料的热导率，能够精确测量不同温度差下材料的热导率；本发明采用膜状结构，稳定性和可靠性好；本发明可以通过mems加工，器件形状可控，可以做成原位表征平台。本发明可以集成电阻和电压测量模块，可以同时记录材料的电阻和seebeck电压。本发明可以结合微纳米材料的各种现代分析测试仪器同时使用，在微纳米材料原位热电性能表征方面具有明显优势。