[发明专利]一种测量薄膜热电性能参数的装置和方法

说明书

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κ、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=                                                                                                                 （1）

公式（1）中，S为塞贝克系数，κ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κ、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Pt100、Pt10、Pt1000、Cu50和Cu100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κ；

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。