[发明专利]一种直接原位综合测量微纳材料热电性能的方法及装置

说明书

本发明公开了一种直接原位综合测量微纳材料热电性能的方法及装置,采用对称的双H型悬空微纳电极作为样品测量探头，消除电极与衬底间的导热热损影响；样品与电极间采用FIB或者导电导热胶固定连接，消除接触电阻与接触热阻的影响；采用样品及探头放置与高真空环境，消除空气对流热损影响；加热电极采用小功率加热、电压采用高分辨率的纳伏表或者锁相放大器等测量，消除电极因过高发热导致的辐射热损影响。可一次性针对同一个样品，精确测量样品的ZT、电导率、热导率及塞贝克系数。

技术领域

本发明属于热电材料领域，具体涉及一种直接原位综合测量 微纳材料热电性能的方法及装置。

背景技术

热电材料是采用热电效应将热能和电能进行直接转换的一种 无污染的绿色能源材料。随着纳米技术的快速发展，通过纳米技 术将热电材料薄膜化及纤维化不仅可以极大的提升其热电效率， 而且可以将其广泛应用于医学领域、军事领域以及人体温度监控。 热电材料的热电转换效率一般用热电优值(ZT)来衡量，但是世界 上目前并没有可以直接测量热电优值的方法及设备,都是通过分 别测量材料热参数(热导率)及电参数(电导率及Seekbeck系数) 后计算ZT值，两次制样分别测量不仅麻烦，且经常会因为二次制 样不同的微纳结构导致错误的计算结果。

另外在材料热电性能测量方面主要存在以下问题：1.现有的 测量仪器涵盖材料多为宏观体材料，且现有仪器多为进口设备， 我国自主研发仪器较少。现有仪器对于微纳低维材料无能为力， 缺乏可靠、方便的微纳低维材料热电性能测量仪器。2.现有测量 仪器及方法分别针对电学和热学进行设计，无法直接测量ZT，也 无法同时表征材料的热/电性能。3.对于微纳材料热电性能直接原 位表征的难点在于如何保证电信号与热信号不互相干扰，如何实 现热信号及电信号的高精度测量，以及如何针对同一个样品直接 原位同时精确测量其热性能及电性能参数，且各参数间不存在依 赖关系，可直接独立获得。

发明内容

为了解决现有技术无法准确测量热电优值的问题，本发明提 出了一种直接原位综合测量微纳材料热电性能的方法及装置，可 以针对同一个微纳样品(薄膜或者纤维)，直接原位一次性精确 测量样品的ZT、热导率、电导率、塞贝克系数。

本发明的一种直接原位综合测量微纳材料热电性能的装置，包 括：测控系统、工控机和高真空恒温舱，其中测控系统包括 左侧电极、中间电极、右侧电极、样品、第一电压表、第二 电压表、第三电压表、第一开关、第二开关、第一电阻箱、 第一电源、第四电压表、第二电源、第五电压表、第二电阻 箱15；

左侧电极和中间电极并联的一端与第一电源的一极连 接，另一端左侧电极经第一开关、中间电极经第二开关并联 后与第一电阻箱串联至第一电源的另一极；

右侧电极与第二电阻箱串联后连在第二电源的两极；

左侧电极、中间电极、右侧电极并排间隔布置，样品悬 空放置在左侧电极、中间电极、右侧电极上；

第一电压表串联在左侧电极1和中间电极并联电路的左 侧电极的支路；第二电压表并联在左侧电极和中间电极并联 电路的两侧；第三电压表并联在第一电阻箱的两侧；第四电 压表并联在右侧电极的两侧；第五电压表并联在第二电阻箱 的两侧。

进一步的，样品的外形尺寸由光学显微镜或者扫描电镜 测量。

进一步的，样品通过FIB、高温导电导热胶悬空连接在 左侧电极、中间电极、右侧电极上，并放入高真空恒温舱。

进一步的，高真空恒温舱有机械泵、分子泵、恒温控制 系统及舱体组成。

进一步的，电极由铜、铂金、黄金或者镍等导电材料制成。

进一步的，电极宽度及电极间隔最小100纳米，最大20 微米，电极厚度最小30纳米，最大1微米。电极长度最小5 微米，最大50微米。

进一步的，工控机包括数据采集系统。