CN104752305A - 用于退火装置的样品座与使用样品座的电流辅助退火装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于退火装置的样品座与使用样品座的电流辅助退火装置。所述样品座包括导热壳、高导热绝缘块以及第一电极与第二电极。导热壳包括底座与顶盖，所述高导热绝缘块分别邻接于所述底座上方与所述顶盖下方，所述高导热绝缘块之间可夹持待测量的试片，所述试片的长宽小于所述高导热绝缘块的长宽。所述第一电极与所述第二电极固定于所述试片两侧，与其连接，并分别与通电用导线连接，所述第一电极与所述第二电极的厚度小于所述试片的厚度，宽度大于所述试片的宽度。

Description

用于退火装置的样品座与使用样品座的电流辅助退火装置

技术领域

本发明涉及一种用于退火装置的样品座与使用所述样品座的电流辅助退火装置。

背景技术

热电材料(thermoelectric materials)能够通过塞贝克效应(Seebeck effect)或佩尔捷效应(Peltier effect)将电能与热能进行互换。由于热电材料为固态材料、使用热电材料的热电模块没有移动件，因此具有可靠度高、使用寿命长以及无噪音等优点。热电模块的效能与热电材料特性、模块冷热端温度(T_hot与T_cold)及温差(ΔT)有关，其中热电材料特性以热电优值(Figure ofmerit，ZT)表示。ZT值主要与塞贝克系数(Seebeck coefficient)、电导率和导热系数相关，以上三种参数也直接影响材料是否拥有良好的热电性质。ZT值越高，则热电效应越显著，其关系式为：

$\mathrm{ZT}=\frac{{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\σ}}{k}T$

上式中α为塞贝克系数，σ为电导率，k为导热系数，T为绝对温度。

近年的研究显示，微结构(例如纳米管芯与析出相等)可提升热电材料的热电优值。而适当的退火步骤可使热压固结后的热电材料纳米管芯进行纳米相析出，并消除晶格缺陷等，达到理想的纳米微结构与热电特性。

发明内容

本发明提供用于退火装置的样品座与使用所述样品座的电流辅助退火装置，能控制并稳定退火制作工艺的温度与电流。

本发明提供用于退火装置的样品座与使用所述样品座的电流辅助退火装置，能在较低退火温度下促进材料析出特定纳米相，且析出相细致均匀。

本发明提供用于退火装置的样品座与使用所述样品座的电流辅助退火装置，能在进行退火制作工艺后提升材料的热电特性。

本发明提供用于退火装置的样品座与使用所述样品座的电流辅助退火装置，能满足退火制作工艺参数一致性、材料微结构与特性的再现性、以及材料微结构最优化操控的要求。

为解决上述问题，本发明实施例提出一种用于退火装置的样品座，包括导热壳、高导热绝缘块、第一电极与第二电极。所述导热壳包括底座与顶盖，所述高导热绝缘块分别邻接于所述底座上方与所述顶盖下方，所述高导热绝缘块之间用以夹持待测量的试片。所述第一电极与所述第二电极于所述高导热绝缘块之间相对设置，用以与所述试片接触。

本发明实施例提出一种电流辅助退火装置，包括密闭腔体、位于密闭腔体中的加热器以及如上述用于退火装置的样品座以及位于密闭腔体外的第一数据撷取器、第二数据撷取器、温度控制器、机械泵、电源供应器、气体流量计与压力计以及热电偶外接母接头。用于退火装置的样品座配置于加热器上。第一数据撷取器撷取试片的温度。第二数据撷取器撷取加热器的温度。温度控制器根据第一数据撷取器所撷取的试片的温度，调整供应加热器的电源。电源供应器供应通入样品的电流。气体流量计与压力计控制通入密闭腔体中的气体。热电偶外接母接头连接用于退火装置的样品座的热电偶以及第一数据撷取器与温度控制器。

本发明的用于退火装置的样品座与使用所述样品座的电流辅助退火装置，能控制并稳定退火制作工艺的温度与电流。

本发明的用于退火装置的样品座与使用所述样品座的电流辅助退火装置，能在较低退火温度下促进材料析出特定纳米相，且析出相细致均匀。

本发明的用于退火装置的样品座与使用所述样品座的电流辅助退火装置，能在进行退火制作工艺后提升材料的热电特性。

本发明的用于退火装置的样品座与使用所述样品座的电流辅助退火装置，能满足退火制作工艺参数一致性、材料微结构与特性的再现性、以及材料微结构最优化操控的要求。

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭示的内容了解本发明的其他优点与功效。本发明也可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

附图说明

图1为本发明样品座的示意图；

图2A为本发明一实施例所绘示的底座上视图；

图2B为沿图2A中I-I’的侧视图；

图2C为本发明一实施例所绘示的样品座移除顶盖后的上视图；

图2D为沿图2C中I-I’的侧视图；

图2E为本发明一实施例所绘示的样品座的上视图；

图2F为本发明一实施例所绘示的顶盖示意图；

图2G为沿图2E中I-I’的侧视图；

图2H为沿图2E中II-II’的侧视图；

图3A与3B为本发明一实施例所绘示的电流辅助退火装置示意图；

图4为本发明的电流辅助退火装置的控制流程图；

图5为例1与比较例1的试片在不同电流密度下的温度变化；

图6A、图6B以及图6C分别为例2的试片在不同温度(230℃、270℃、300℃)进行电流辅助退火的微结构影像；

图7A、图7B以及图7C分别为比较例2的试片在不同温度(230℃、270℃、300℃)进行单纯热退火(无电流辅助)的微结构影像；

图8为例3、例4与比较例3的Bi-Sb-Te试片在275℃以及电流密度(332A/cm²)下进行电流辅助热退火以及在275℃下进行单纯热退火后的塞贝克系数α与电阻率ρ的关系图。

符号说明

200：导热壳

200a：底座

200b：顶盖

202：加热装置

204a、204b：高导热绝缘块

205a、205b：电极

208：试片

210、211a、211b：固定用螺丝

212：热电偶

213a、213b：导线

215：耐热螺丝

218：固定片

220a、220b、220c：孔洞

302：加热器

304：热电偶外接母接头

305：密闭腔体

310：样品座

311a、315：数据撷取器

311b：温度控制器

312：机械泵

314：电源供应器

316：气体流量计与压力计

318：加热器热电偶

400：流程

402、404、406、408：步骤

具体实施方式

图1是本发明的用于退火装置的样品座的示意图。

请参照图1，本发明的用于退火装置的样品座310包括导热壳200、高导热绝缘块204a、204b、第一电极205a与第二电极205b。

请参照图1，导热壳200包括底座200a以及顶盖200b。底座200a以及顶盖200b组合后可形成一空间。高导热绝缘块204a与204b分别邻接于底座200a的上方与顶盖200b的下方。高导热绝缘块204a与204b之间可夹持待测量的试片208。第一电极205a与第二电极205b可固定于试片208两侧，与试片208连接接触。第一电极205a与第二电极205b可以分别与通电用导线213a与213b连接。本发明的样品座310在导热壳200外可以装设加热装置202做为热源，调节退火温度高低。加热装置可为接触式传导电阻发热装置、非接触式的辐射加热装置或感应加热装置等。

图2A是依照本发明一实施例所绘示的底座上视图。图2B是依照本发明一实施例所绘示的底座剖视图。图2C是依照本发明一实施例所绘示的样品座移除顶盖后的上视图。图2D是依照本发明一实施例所绘示的样品座移除顶盖后的剖视图。

请参照图1、图2A与图2B，导热壳200包括底座200a以及顶盖200b。底座200a以及顶盖200b组合后可形成一空间。导热壳200的底座200a材料可以是金属、合金或其组合，例如是铜、铝等金属、合金或金属基复合材料等具有高导热系数特性的材料。在本发明的一实施例中，导热壳200的材料为铜。底座200a的底面可为任何形状，包括正方形、矩形、多边型或圆形。在本发明的一实施例中，底座200a的底面为正方形。在一实施例中，以铜块构成底座200a，底座200a的侧壁上具有孔洞220a与底面上具有外侧孔洞220b及内侧孔洞220c。

请参照图1、图2A与图2B，高导热绝缘块204a设置于于底座200a的上方。高导热绝缘块204a的导热系数(thermal conductivity)为30W/mK至180W/mK之间。高导热绝缘块204a包括陶瓷材料、表面经绝缘处理的金属、表面经绝缘处理的合金或其组合。陶瓷材料例如是氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)或其组合。金属例如是铜或铝。在本发明的一实施例中，高导热绝缘块204a为氮化硼。高导热绝缘块204a、204b之间可夹持待测量的试片208，高导热绝缘块204a、204b的长宽大于试片208的长宽，亦即高导热绝缘块204a、204b的面积大于试片208的面积，高导热绝缘块204a、204b可以将试片208覆盖住。

请参照图1、图2C与图2D，第一电极205a与第二电极205b可固定于试片208两侧，与试片208连接接触。第一电极205a与第二电极205b的厚度小于试片208的厚度，宽度大于试片208的宽度，使试片208与高导热绝缘块204a、204b能完全并紧密地接触。第一电极205a与第二电极205b的材料包括金属或合金，例如金、银、铜、镍或其合金。在本发明的一实施例中，第一电极205a与第二电极205b的材料为镍。

请参照图1、图2A至图2D，用于退火装置的样品座310包括导热壳200、高导热绝缘块204a、204b、第一电极205a与第二电极205b之外，还可以包括固定用螺丝210。固定用螺丝210可以由外侧穿过底座200a的孔洞220a，而将第一电极205a与第二电极205b抵紧在试片208的两侧。固定用螺丝210例如是陶瓷螺丝或塑胶螺丝。固定用螺丝210的材料例如是氧化锆(ZrO₂)、氧化铝、聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)或聚苯并咪唑(polybenzimidazole，PBI)。底座200a内侧则可以耐热螺丝215穿过底座200a的孔洞220c抵紧第一电极205a与第二电极205b，以防止第一电极205a与第二电极205b翘曲。耐热螺丝215例如是聚苯并咪唑绝缘耐热螺丝、氧化锆或氧化铝耐热螺丝或聚醚醚酮耐热螺丝。第一电极205a与第二电极205b与试片208连接接触，并且分别与通电用导线213a与213b连接。在本实施例中，是以螺丝来固定各构件，然而，本发明不以此为限。在其他的实施例中，也可以弹簧或簧片。

请参照图2C与图2D，用于退火装置的样品座310还可包括固定片218。固定片218可分别设置于试片208与第一电极205a以及第二电极205b之间，并且由外侧以固定用螺丝210固定。固定片218可以是绝缘材料，例如是陶瓷材料、玻璃、氧化锆、氧化铝或其组合。

请参照图2C与图2D，此外，试片208左右任一侧可设置热电偶212。热电偶212夹于试片208与固定片218之间，通过固定片218与固定用螺丝210固定之，使热电偶212与试片208完全接触，以量测试片208确实的退火温度。

此外，第一电极205a与第二电极205b分别与导线213a与213b连接，使直流电可通过试片208。其中第一电极205a可为正极或负极，第二电极205b可为负极或正极。在一实施例中，与导线213a连接的第一电极205a为正极，而与导线213b连接的第二电极205b为负极。

图2E是依照本发明一实施例所绘示的样品座的上视图。图2F是依照本发明一实施例所绘示的顶盖示意图。图2G是沿图2E中I-I’的剖视图。图2H是沿图2E中II-II’的剖视图。

请参照图2E至图2H，顶盖200b可通过固定用螺丝211a及211b固定于底座200a上。固定用螺丝211a及211b不必为绝缘材质，例如是金属螺丝。导热壳200的顶盖200b可为任何形状，包括正方形、矩形、多边型或圆形。在本发明的一实施例中，顶盖200b为正方形。顶盖200b的下方具有高导热绝缘块204b。当固定用螺丝211b转紧时，高导热绝缘块204b可与试片208紧密贴合。高导热绝缘块204b的导热系数(thermal conductivity)介于30W/mK至200W/mK。高导热绝缘块204b的材料可与高导热绝缘块204a的材料相同或相异。高导热绝缘块204b包括陶瓷材料、表面经绝缘处理的金属、表面经绝缘处理的合金或其组合。陶瓷材料例如是氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)或其组合。金属例如是铜或铝。在本发明的一实施例中，高导热绝缘块204b为氮化硼。高导热绝缘块204a、204b之间可夹持待测量的试片208，高导热绝缘块204a、204b的长宽大于试片208的长宽，也即高导热绝缘块204a、204b的面积大于试片208的面积，高导热绝缘块204a、204b可以将试片208覆盖住。

请参照图2A与图2B，在进行测试之前，底座200a上已设置高导热绝缘块204a。固定用螺丝210通过孔洞220a设置在底座200a上。

请参照图2C与2D，试片208可以置于底座200a上的高导热绝缘块204a上(图2A与图2B)。通过固定用螺丝210可以将第一电极205a与第二电极205b抵紧在试片208的两侧。底座200a内侧可以耐热螺丝215穿过底座200a的孔洞220c抵紧第一电极205a与第二电极205b，以防止第一电极205a与第二电极205b翘曲。固定片218可分别设置于试片208与第一电极205a以及第二电极205b之间，并且由外侧以固定用螺丝210固定。热电偶212夹于试片208与固定片218之间，通过固定片218与固定用螺丝210固定之，使热电偶212与试片208完全接触。

请参照图2E至图2F，顶盖200b可通过固定用螺丝211a及211b固定于底座200a上。当固定用螺丝211b转紧时，高导热绝缘块204b可紧密压覆试片208。

在进行测试时，可由导热壳200的***提供热源，进行退火。由于高导热绝缘块204a与204b是一种高导热系数的材料，在进行退火时，若试片208的温度低于设定的退火温度，则导热壳200***所提供的热可以通过高导热绝缘块204a与204b传导至试片208，使试片208的温度上升；若试片208的温度高于设定的退火温度，则可以通过高导热绝缘块204a与204b将多余的热由试片208传导至导热壳200进行散热，使试片208的温度下降。如此一来便能够有效控制退火温度。通过热电偶212可量测试片208实际的退火温度。导线213a、213b可以提供不同的大小的电流至试片208。因此，本发明的退火装置的样品座310可以同时设定电流大小与退火温度。

图3A与3B是依照本发明一实施例所绘示的电流辅助退火装置示意图。

请参照图3A，在密闭腔体305中具有加热器302与热电偶外接母接头304，加热器302与加热器热电偶318连接。

请接着参照图3A与图3B，密闭腔体305外配置有多个功能部件，其包括第一数据撷取器311a与温度控制器311b、机械泵312、电源供应器314、第二数据撷取器315以及气体流量计与压力计316。本发明的前述样品座310可配置于加热器302上。样品座310的热电偶212(图2C)与热电偶外接母接头304连接。样品座310的通电用导线213a、213b(图1与图2C)与电源供应器314连接。第一数据撷取器311a及温度控制器311b都与热电偶外接母接头304连接，量测并撷取试片208(图2C)的温度。温度控制器311b例如为比例-积分-微分控制器(proportional-integral-derivative controller，PID控制器)调整供应加热器的电源使加热器302进行加热。机械泵312可使密闭腔体305内维持真空状态。电源供应器314可以是直流电源供应器，其可将直流电通入样品座310中的试片208(图2C)，并可设定通入试片208的电流大小。第二数据撷取器315与加热器热电偶318连接，显示并纪录加热器302的温度。气体流量计与压力计316可控制通入密闭腔体305的气体，通入密闭腔体305中的气体包括氮气或惰性气体。

图4是本发明的电流辅助退火装置的控制流程图。

请参照图4，在步骤402中，同时设定本发明的电流辅助退火装置的电流大小与退火温度。接着在步骤404中，对试片通入设定好的电流。其后进行步骤406，开始对试片加热，进行退火。在进行退火时，以不同的功能部件(例如数据撷取器、温度控制器、机械泵、电源供应器、气体流量计与压力计)监控退火装置内的状态，进而通过比例-积分-微分控制器控制加热器的加热功率。当试片温度高于设定温度时，进行步骤408，停止加热，使试片通过本发明样品座310(图3B)内的高导热绝缘块散热并降温；当试片温度低于设定温度时，则再度进行步骤406，开始加热，加热器提供的热量通过高导热绝缘块传导至试片，使试片的温度上升。如此一来便能够维持良好并稳定的退火条件。

例1

以本发明的具有氮化硼高导热绝缘块的样品座测试Bi-Sb-Te试片在通入不同电流密度下(0A/cm²、167A/cm²、333A/cm²)的温度变化，其结果如图5所示。

比较例1

以不具有氮化硼高导热绝缘块的样品座测试Bi-Sb-Te试片在通入电流密度167A/cm²下的温度变化，其结果如图5所示。

依据图5的结果显示，例1(上下夹持氮化硼高导热绝缘块)的试片在通入的电流密度为0A/cm²、167A/cm²、333A/cm²时，都具有相同的升温曲线，且温度控制良好。而比较例1(未夹持氮化硼高导热绝缘块)的试片在通入167A/cm²的电流密度时，温度直线上升不受控制，无法维持特定的退火温度。此结果显示使用氮化硼高导热绝缘块可以在高温下，有效控制退火温度。

例2

将Bi-Te-Se试片在电流密度为4000A/cm²下，在不同温度(230℃、270℃、300℃)进行电流辅助退火，其微结构分别如图6A、图6B以及图6C所示。

比较例2

将Bi-Te-Se试片在不同温度(230℃、270℃、300℃)下经单纯热退火(无电流辅助)，其微结构分别如图7A、图7B以及图7C所示。

由图6A至图6C以及图7A至7C可以观察到在电流辅助下进行退火，可以在较低的退火温度下即能析出特定纳米相，且析出相细致均匀。相反地，单纯热退火(无电流辅助)则需在较高退火温度下才能析出纳米相，并且析出相不规则且粗糙。此结果显示电流辅助退火能达到单纯热退火无法达到的功效，能在较低退火温度下促进材料析出特定纳米相，且析出相细致均匀。

例3

将Bi-Sb-Te试片在275℃以及电流密度167A/cm²下进行电流辅助热退火，其塞贝克系数α与电阻率ρ的关系如图8所示。热电特性(Power factor，P＝α²/ρ)如表1所示。

例4

将Bi-Sb-Te试片在275℃以及电流密度333A/cm²下进行电流辅助热退火，其塞贝克系数α与电阻率ρ的关系如图8所示。热电特性如表1所示。

比较例3

将Bi-Sb-Te试片在275℃下进行单纯热退火(无电流辅助，电流辅助0A/cm²)，其塞贝克系数α与电阻率ρ的关系图，如图8所示。热电特性如表1所示。

表1

退火条件	热电特性(功率因子Power factor)

	(10-9W/K2cm)
		未退火	4981.5
比较例3	10004.1
		例3	10442.2
例4	13394.3

依据表1与图8的结果显示，塞贝克系数α随退火的电流密度的增加而有上升的趋势；电阻率ρ则随退火的电流密度的增加而有下降的趋势。此结果显示以本装置进行电流辅助退火具有提升热电特性的功效。

综上所述，本发明的用于退火装置的样品座与使用所述样品座的电流辅助退火装置，能控制并稳定退火制作工艺的温度与电流。本发明的用于退火装置的样品座与使用所述样品座的电流辅助退火装置，能在较低退火温度下促进材料析出特定纳米相，且析出相细致均匀。本发明的用于退火装置的样品座与使用所述样品座的电流辅助退火装置，能在进行退火制作工艺后提升材料的热电特性。本发明的用于退火装置的样品座与使用所述样品座的电流辅助退火装置，能满足退火制作工艺参数一致性、材料微结构与特性的再现性、以及材料微结构最优化操控的要求。

虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (16)

1.一种用于退火装置的样品座，包括：

导热壳，包括底座与顶盖；

多数个高导热绝缘块，分别邻接于该底座上方与该上盖顶盖下方，该些高导热绝缘块之间用以夹持待测量的试片；以及

第一电极与第二电极，在该些高导热绝缘块之间相对设置，用以与该试片接触。

2.如权利要求1所述用于退火装置的样品座，其中该些高导热绝缘块包括陶瓷材料、表面经绝缘处理的金属、表面经绝缘处理的合金或其组合。

3.如权利要求2所述用于退火装置的样品座，其中该些高导热绝缘块包括氮化硼、氮化铝、氧化铍或其组合。

4.如权利要求1所述用于退火装置的样品座，其中该导热壳包括金属或合金。

5.如权利要求4所述用于退火装置的样品座，其中该导热壳包括高导热系数材料，所述高导热系数材料包括铜、铝金属、合金或金属基复合材料。

6.如权利要求1所述用于退火装置的样品座，其中该第一电极与该第二电极的材料包括金属或合金。

7.如权利要求6所述用于退火装置的样品座，其中该第一电极与该第二电极的材料包括金、银、铜、镍或其合金。

8.如权利要求1所述用于退火装置的样品座，还包括多数个固定片，位于该试片两侧，其材料包括绝缘材料。

9.如权利要求8所述用于退火装置的样品座，其中该些固定片包括陶瓷材料、玻璃、氧化铝或其组合。

10.如权利要求1所述用于退火装置的样品座，还包括热电偶，与该试片连接。

11.如权利要求1所述用于退火装置的样品座，其中各构件的固定方式包括使用螺丝、弹簧或簧片。

12.如权利要求11所述用于退火装置的样品座，其中各构件的固定方式包括使用耐热螺丝。

13.一种电流辅助退火装置，包括：

密闭腔体；

加热器，位于该密闭腔体中；

如权利要求1所述的用于退火装置的样品座，配置于该加热器上；

第一数据撷取器，位于该密闭腔体外，用以撷取该试片的温度；

第二数据撷取器，位于该密闭腔体外，用以撷取该加热器的温度；

温度控制器，位于该密闭腔体外，根据该第一数据撷取器所撷取的该试片的该温度，调整供应该加热器的电源；

机械泵，位于该密闭腔体外；

电源供应器，位于该密闭腔体外，供应通入样品的电源；

气体流量计与压力计，位于该密闭腔体外，控制通入该密闭腔体中的气体；以及

热电偶外接母接头，位于该密闭腔体外，连接该样品座的该热电偶以及该第一数据撷取器及温度控制器。

14.如权利要求13所述的电流辅助退火装置，还包括加热器热电偶，用以量测该加热器的温度，并与该第二数据撷取器连接。

15.如权利要求13所述的电流辅助退火装置，其中该温度控制器为比例-积分-微分控制器。

16.如权利要求13所述的电流辅助退火装置，其中通入该密闭腔体中的气体包括氮气或惰性气体。