專利名稱：一種測量微納米熱電材料或器件塞貝克系數(shù)的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微納米熱電轉換材料熱電性能測試技術領域，具體涉及一種測量微納米熱電材料或器件塞貝克系數(shù)的方法。
背景技術：
隨著能源危機和環(huán)境問題日益加劇，基于熱電效應的熱電轉換系統(tǒng)以其獨特優(yōu)勢引起了廣泛關注。與其它技術相比，熱電轉換系統(tǒng)具有無機械運動部件、結構緊湊、易于小型化和微型化、無噪聲、無污染、易維護、使用壽命長等優(yōu)點，在航天特種能源、微電子、光電子器件以及節(jié)能環(huán)保等許多領域都有廣泛的應用前景。當前熱電材料所面臨的主要問題是熱電轉換效率低。納米技術為開發(fā)高性能熱電材料開辟了新途徑。熱電優(yōu)值系數(shù)Z是衡量熱電轉換系統(tǒng)轉換效率高低的重要參數(shù)，ζ值越大，表明熱電轉換效率越高。1993年，美國麻省理工學院的Hicks等從理論上預測利用納米超晶格結構可將ZT值(T為絕對溫度)提高到 4-8 (Hicks L D, et al.，Physical Review B, 1993,47 :12727)，之后納米熱電材料的合成、性能測試和理論研究得到快速發(fā)展。但由于材料的納米尺度及各向異性等特點，傳統(tǒng)用于測試塊體材料熱電特性的方法和裝置往往不能用來測量納米尺度材料的熱電特性。因此，納米熱電材料性能的測量和表征是當前研究的一大難點。優(yōu)值系數(shù)Z定義為Z= oS2/X，式中S為塞貝克系數(shù)，σ和λ分別為材料的電導率和熱導率。從優(yōu)值系數(shù)表達式可見，塞貝克系數(shù)越大，優(yōu)值系數(shù)越大，材料的熱電性能越好。因此，塞貝克系數(shù)是熱電材料的重要性能參數(shù)之一。塞貝克系數(shù)表示為S = V/AT， 其中，V為塞貝克電動勢，ΔΤ為熱電材料兩端的溫差。精確測量熱電材料的塞貝克系數(shù)，對于研究熱電材料的性能及開發(fā)新型熱電材料和器件具有重要意義。在納米材料塞貝克系數(shù)測量方面，Kim 等(Kim P, et al.，Physical Review Letters, 2001,87 :215502)測量了單根多壁碳納米管的塞貝克系數(shù)，發(fā)現(xiàn)其值隨溫度升高而增大。Boukai等(Boukai A,et al., Advanced Materials, 2006,18 :864-869)用懸絲法測量了直徑為^_72nm單根鉍納米線的塞貝克系數(shù)，發(fā)現(xiàn)鉍納米線可顯示正或負的塞貝克系數(shù)。V0lkiein等(V0lkieinF，et al.， Journal of Electron Materials，2009，38 :1109-1115)通過測量溫差和塞貝克電壓的方法獲得了單根納米線的塞貝克系數(shù)。Yang等(Yang B et al.，Applied Physics Letters, 2002,80(10) :1758-1760)發(fā)展了一種可批量測試納米線陣列塞貝克系數(shù)的方法，研究了采用平版印刷電沉積方法制備的碲化鉛納米線塞貝克系數(shù)與熱處理溫度的關系。這些測試方法均需在樣品一端安置微加熱器或輻射加熱等裝置實現(xiàn)溫差，并在溫度測試中需附加熱電偶或微加工得到的測溫元件，一方面增加了制備過程的復雜性，另一方面將不可避免的附加測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種測量微納米熱電材料或器件塞貝克系數(shù)的方法，該方法采用通交流電自加熱法在測試樣品上建立溫差，理論求解控制方程得到結點穩(wěn)態(tài)溫差分量，同時實驗測量樣品兩端的塞貝克直流電壓，即可得到被測熱電材料或器件的塞貝克系數(shù)，具有測量精度高、測試裝置簡單及成本低的優(yōu)點。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是一種測量微納米熱電材料或器件塞貝克系數(shù)的方法，將第一納米熱電材料11 一端和第二納米熱電材料12的一端連接后置于真空環(huán)境中，第一納米熱電材料11和第二納米熱電材料12的材料性質(zhì)不同，第一納米熱電材料11和第二納米熱電材料12的橫截面積相等，第一納米熱電材料11的另一端連接第一熱沉21，第二納米熱電材料12的另一端連接第二熱沉22，向連接后的第一納米熱電材料11和第二納米熱電材料12通入I =I0Sin(Wt)的交流電，由結點與熱沉之間的溫差公式ATs= ζ ΙΛ先根據(jù)公式ζ = (R11+R12)/[4A(A11/111+A12/112)]求得系數(shù)ζ，再根據(jù)公式S = kv/ζ，求得被測樣品的塞貝克系數(shù)S，其中，R11為第一納米熱電材料11的電阻，R12為第二納米熱電材料12的電阻，λ η 為第一納米熱電材料11的熱導率，λ 12為第二納米熱電材料12的熱導率，I11為第一納米熱電材料U的長度，I12為第二納米熱電材料12的長度，A為第一納米熱電材料11和第二納米熱電材料12的橫截面積，kv為第一納米熱電材料11和第二納米熱電材料12連接后兩端的塞貝克直流電壓隨輸入電流平方的變化關系的斜率，由試驗數(shù)據(jù)擬合得到。所述第一納米熱電材料11和第二納米熱電材料12也可以都為納米熱電材料。所述真空環(huán)境是指真空腔，可選用Oxford hstrument的Optistat DN-Vcryostat system，真空度在以下，以減小空氣對流換熱的影響，可利用真空泵和分子泵兩級抽真空，分子泵選用Leybold的TW70H，所述第一熱沉21和第二熱沉22的溫度由溫控儀檢測和控制，溫控儀可選用OxfordInstruments的ITC601PT，控制精度為士0. 1K。測量電路由信號發(fā)生器4、可調(diào)電阻5以及連接后的第一納米熱電材料11和第二納米熱電材料12串聯(lián)形成閉合回路，信號發(fā)生器4選用Agilent的33220A，利用鎖相放大器7探測可調(diào)電阻兩端的1 ω電壓信號從而測量回路中的電流幅值，鎖相放大器7選型為 Signal Recovery的7沈5，信號發(fā)生器4提供交變電流加熱樣品的同時為鎖相放大器提供參考信號，用數(shù)字電壓表3測量連接后的第一納米熱電材料11和第二納米熱電材料12的兩端塞貝克效應產(chǎn)生的直流熱電勢，改變輸入電流方向，消除信號發(fā)生器4可能產(chǎn)生的直流信號噪聲。由于焦耳熱效應會在樣品上產(chǎn)生一個拋物型溫度分布，被測材料結點處的溫度為一個穩(wěn)態(tài)分量和兩個諧波分量疊加，對于熱電材料，由于塞貝克效應，結點處的穩(wěn)態(tài)溫度分量與熱沉端形成的溫差將會產(chǎn)生直流塞貝克電壓，獲取該直流電壓信號，同時理論求解穩(wěn)態(tài)溫差，即可得到被測熱電材料的塞貝克系數(shù)。綜上所述，該方法即為給樣品中通入交流電自加熱樣品產(chǎn)生一個穩(wěn)態(tài)溫差，通過測量樣品兩端的直流電壓獲得樣品的塞貝克系數(shù)， 故命名為交流加熱-直流探測法。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，巧妙的利用給被測樣品中通入交流電自加熱樣品建立溫差，根據(jù)結點與熱沉端的穩(wěn)態(tài)溫差分量由于塞貝克效應在樣品兩端產(chǎn)生塞貝克直流電壓的思想，通過測量樣品兩端的直流電壓，同時理論計算結點與樣品兩端熱沉的溫差，得到樣品的塞貝克系數(shù)。本發(fā)明具有測量精度高、實驗裝置簡單、易于實現(xiàn)及測試成本低等優(yōu)點，更重要的是為納米熱電轉換系統(tǒng)的評價和表征提供了新的思路。


圖1為本發(fā)明的物理模型圖。圖2為被測樣品上的溫度分布示意圖。圖3為結點溫度分布圖，橫坐標為時間，縱坐標為溫度。圖4為實驗測試電路圖。圖5為25. 4μπι K型熱電偶塞貝克系數(shù)測試的數(shù)據(jù)點和擬合曲線圖，縱坐標為待測材料兩端的塞貝克直流電壓，橫坐標為待測材料兩端輸入電流的平方。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。采用直徑為25. 4μπι的K型熱電偶(Omega Engineering，正極鎳鉻Ni Cr = 90 10，負極鎳硅Ni Si = 97 幻在^SK進行實驗驗證，被測樣品物性參數(shù)如表1所表1被測樣品物性參數(shù)表
權利要求
1.一種測量微納米熱電材料或器件塞貝克系數(shù)的方法，其特征在于，將第一納米熱電材料(11) 一端和第二納米熱電材料(12)的一端連接后置于真空環(huán)境中，第一納米熱電材料(11)和第二納米熱電材料(12)的材料性質(zhì)不同，第一納米熱電材料(11)和第二納米熱電材料(1 的橫截面積相等，第一納米熱電材料(11)的另一端連接第一熱沉(21)，第二納米熱電材料(1 的另一端連接第二熱沉(22)，向連接后的第一納米熱電材料(11)和第二納米熱電材料(12)通入I = I0sin( t)的交流電，由結點與熱沉之間的溫差公式ATs = ζ I。2，先根據(jù)公式 ζ = (Rn+R12)/[4A(An/l11+A12/l12)]求得系數(shù) ζ，再根據(jù)公式 S = kv/ ζ求得被測樣品的塞貝克系數(shù)S，其中，R11為第一納米熱電材料(11)的電阻，R12為第二納米熱電材料(12)的電阻，λ η為第一納米熱電材料(11)的熱導率，λ 12為第二納米熱電材料(12)的熱導率，I11為第一納米熱電材料(11)的長度，I12為第二納米熱電材料(12)的長度，A為第一納米熱電材料(11)和第二納米熱電材料(12)的橫截面積，kv為第一納米熱電材料(11)和第二納米熱電材料(1 連接后兩端的塞貝克直流電壓隨輸入電流平方的變化關系的斜率，由試驗數(shù)據(jù)擬合得到。
2.根據(jù)權利要求1所述測量微納米熱電材料或器件塞貝克系數(shù)的方法，其特征在于， 所述第一納米熱電材料(11)和第二納米熱電材料(12)都為納米熱電材料。
3.根據(jù)權利要求1所述測量微納米熱電材料或器件塞貝克系數(shù)的方法，其特征在于， 所述真空環(huán)境是指真空腔。
4.根據(jù)權利要求3所述測量微納米熱電材料或器件塞貝克系數(shù)的方法，其特征在于， 所述真空腔的真空度在10-3 以下，利用真空泵和分子泵兩級抽真空。
5.根據(jù)權利要求1所述測量微納米熱電材料或器件塞貝克系數(shù)的方法，其特征在于， 所述第一熱沉和第二熱沉0 的溫度由溫控儀檢測和控制。
6.根據(jù)權利要求1所述測量微納米熱電材料或器件塞貝克系數(shù)的方法，其特征在于， 信號發(fā)生器G)、可調(diào)電阻(5)以及連接后的第一納米熱電材料(11)和第二納米熱電材料 (12)串聯(lián)形成閉合回路。
7.根據(jù)權利要求6所述測量微納米熱電材料或器件塞貝克系數(shù)的方法，其特征在于， 利用鎖相放大器(7)探測可調(diào)電阻兩端的1 ω電壓信號從而測量回路中的電流幅值。
8.根據(jù)權利要求7所述測量微納米熱電材料或器件塞貝克系數(shù)的方法，其特征在于， 信號發(fā)生器(4)為鎖相放大器(7)提供參考信號。
9.根據(jù)權利要求1所述測量微納米熱電材料或器件塞貝克系數(shù)的方法，其特征在于， 用數(shù)字電壓表C3)測量連接后的第一納米熱電材料(11)和第二納米熱電材料(1 的兩端塞貝克效應產(chǎn)生的直流熱電勢，改變輸入電流方向，消除信號發(fā)生器(4)可能產(chǎn)生的直流信號噪聲。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量微納米熱電材料或器件塞貝克系數(shù)的方法，將兩種不同熱電材料連結而成的樣品兩端與熱沉相連放置在真空環(huán)境中，通一頻率為ω，幅值為I0的交變電流I0sin(ωt)，焦耳熱效應會在被測樣品上產(chǎn)生一個拋物型溫度分布，被測材料結點處的溫度為一個穩(wěn)態(tài)分量和兩個諧波分量疊加；對于熱電材料，由于塞貝克效應，結點處的穩(wěn)態(tài)溫度分量與熱沉端形成的溫差將會產(chǎn)生直流塞貝克熱電勢；獲取直流電壓信號，同時理論求解穩(wěn)態(tài)溫差，即可得到被測熱電材料的塞貝克系數(shù)。本發(fā)明具有測量精度高、實驗裝置簡單、易于實現(xiàn)及測試成本低等優(yōu)點，為微納米尺度熱電轉換系統(tǒng)的評價和表征提供了新的思路。
文檔編號G01N25/20GK102305807SQ20111013769
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月25日 優(yōu)先權日2011年5月25日
發(fā)明者張興, 繆婷婷, 馬維剛 申請人:清華大學