[发明专利]一种薄膜热电性能参数的测量装置和方法

说明书

技术领域

    本发明属于材料性能测试技术领域，具体涉及一种薄膜热电性能参数的测量装置和方法，可以测量垂直于薄膜平面方向上的热电性能参数。

背景技术

    目前，热电材料研究已成为材料领域的一个热点。热电材料的性能通常由一个无量纲优值系数ZT值来衡量，其具体表达式为                                                ，其中S为塞贝克系数，σ为电导系数，κ为热导系数、T为温度。因此对于热电材料来讲，热导系数、塞贝克系数以及电导系数是三个最重要的性能参数。精确地测定这些参数对深入研究半导体材料的热电输运机理，特别是对深入研究和开发新型热电材料和器件具有非常重要的价值和意义。 

但是目前涉及热导系数、塞贝克系数以及电导系数的测量装置，主要存在以下几方面的问题：1. 材料热导系数、塞贝克系数和电导系数的测量基本上是通过不同的测量装置分开进行的，热导系数通过稳态法或瞬态法得到，塞贝克系数的测量通常采用两端温差法测定，而电导系数则较多采用四线制或两线制进行测量。这种用不同测量装置评估总体热电性能(即ZT值)无法避免引入较大的误差，而目前尚没有相关装置能够同时测量热电材料的热导系数、塞贝克系数以及电导系数。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，对于薄膜或薄片材料则力不从心。3. 在现有的热导系数和塞贝克系数测量装置中，对温差的控制通常采用的方式是在样品的两端各安置一个温控流体装置，通过调节加热器和制冷器的功率来调节流体温度，从而在样品两端产生温差，但是采用这种方式产生温差比较复杂且精度不高。随着热电器件的逐渐薄膜化，以及超晶格等各向异性的热电薄膜材料的应用，迫切需要一种垂直于薄膜平面方向上的热电性能评价方法。

发明内容

     针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种薄膜热电性能参数的测量装置和方法，即能够在同一个测试系统下测量薄膜热电材料的热导系数、塞贝克系数和电导系数。本发明包含的装置简单，体积小巧，成本低，同时测试过程简单，测量结果准确。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种薄膜热电性能参数的测量装置，包括散热片、热电模块、隔热材料、金属圆棒、热电偶线、电压表、电源、数据采集仪和计算机；该测量装置相对于待测薄膜样品呈轴对称结构，所述待测薄膜样品夹于两根所述金属圆棒之间，所述待测薄膜样品的面积与所述金属圆棒横截面积相同，将所述待测薄膜样品及金属圆棒置于真空腔室内或包裹一层隔热材料以最大限度减少热量损失；两根所述金属圆棒与所述待测薄膜样品不接触的两端分别连接两个所述热电模块，用于加热或制冷；两个所述热电模块另一端分别连接两个所述散热片；在每根所述金属圆棒上等距离地钻有小孔作为测温点，将所述热电偶线置于小孔内并集中于所述数据采集仪来测量所述金属圆棒内的温度分布，从所述两根金属圆棒靠近所述待测薄膜样品一端小孔内引出导线连接所述电压表，用来测量电压；从所述两根金属圆棒远离所述待测薄膜样品一端小孔内引出导线连接电源，用来输入电流。

所述金属圆棒可以是铜、铝、不锈钢等材料，所述金属圆棒的长度范围为1cm至10cm，横截面直径范围为0.1cm至5cm。

所述真空腔室的真空度在10 Pa以下，所述隔热材料的热导系数小于0.5 W/mK，所述隔热材料包括多孔材料、热反射材料、多层复合材料、真空隔板材料等。

每根所述金属圆棒上测温点的小孔数量不小于2个。

所述热电偶线可以是S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶之一。

一种薄膜热电性能参数的测量方法，使用上述的薄膜热电性能参数的测量装置，本方法具体实施步骤为：

1）通过对所述热电模块输入不同的电流，在所述金属圆棒和所述待测薄膜样品之间建立稳定的温差，利用所述热电偶线测量所述金属圆棒的温度分布，根据该温度分布推算出所述待测薄膜样品上下表面的温差；

2）通过所述待测薄膜样品上下表面的温差，根据热传导方程推算出所述待测薄膜样品的热导系数；

3）通过所述待测薄膜样品上下表面的温差和测得的塞贝克电压值，根据塞贝克系数的定义式，计算出所述待测薄膜样品的塞贝克系数；

4）通过对所述金属圆棒输入正反弱电流，结合塞贝克电压值和测得的电压值计算出所述待测薄膜样品的电阻值，并进一步通过电阻定义和所述待测薄膜样品的几何尺寸关系计算出所述待测薄膜样品的电导系数；