CN113640637A - 一种辅助测量薄膜以及柔脆热电材料性能的夹具及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辅助测量薄膜以及软脆热电材料热电性能的夹具，所述夹具包括夹具主体、限位结构和两个金属电极片；所述两个金属电极片均为L型结构；所述L型结构由相互垂直的A部分和B部分构成；所述夹具主体为U型槽体；所述U型槽体包括两个侧板和一个底板；所述两个侧板均设有缝隙；所述两个侧板各自固定一个金属电极片；所述A部分固定于侧板的外表面；所述B部分穿过所述缝隙伸入U型槽体内部；所述限位结构用于将待测材料紧贴于所述B部分，且与所述夹具相固定。本发明提供的测量夹具具有安装简单便利、灵活性高、制作成本低的优点，可以直接对材料进行热电参数的测试，极大地提高了测量的范围和效率。
Description
技术领域
本发明属于热电半导体材料性能测试的技术领域，具体是涉及一种热电性能测试中用于辅助测量薄膜以及柔脆热电材料性能的夹具。
背景技术
热电转换技术是一种利用Seebeck效应(温差发电)和Peltier效应(通电制冷)实现电能与热能相互转换的技术，具有***体积小、无运动部件、无磨损、无噪音和无污染等诸多优点，在废热发电和电子制冷等关键领域有着重要的应用，如利用热电材料的温差发电技术是深空探测中不可替代的能源技术。
热电转换效率是衡量其热电材料性能的重要参数，由热电性能优值(ZT值)决定，其中：
ZT＝S2σΔT/κ
所以，性能优异的热电材料应同时具有大的温差电动势S(产生较大的温差电压)、高的电导率σ(减少焦耳损耗)和低的热导率κ(保持大的温差)。然而这些热电参数是相互纠缠耦合的，一个参数的升高必然导致其余参数的降低，所以这严重制约了ZT值的提高，有效地调控这些复杂耦合的热电参数是提高ZT值和转换效率的关键。近年来，提高ZT值的策略层出不穷：如通过点缺陷、位错、界面、结构纳米化等多尺度缺陷设计降低热导率(κ)；调整电子能带结构、晶体结构对称性、相转变等实现高的电传输性能引入磁性纳米粒子实现电-声-磁协同调控；直接寻找具有本征低热导κ或高功率因子PF＝S2σ的热电材料等。
这其中通过降低维度，直接生长二维的薄膜热电材料是研究热电材料的主要方向之一。相较于体相热电材料，薄膜热电材料又因其体积小、重量轻、外形多变以及柔韧性好的特点，可以适用于不规则的工作空间、精密仪器中，也可以使用光刻技术制作集成化的器件以及柔性薄膜器件。
现有的成熟的测量热电材料的热电性能的仪器一般都是为体相热电材料设计的，无法直接测量薄膜热电材料。为了能够测量薄膜的热电性能，现在一般有以下两种做法：第一种方法就是在现有仪器下为薄膜热电材料设计或粘贴复杂电极片来测量，但这种方法费时费力；第二种方法就是自己搭建薄膜测量***，但是这种方法前期需要花费大量的时间和资金，而且精度低可信度不大。ZEM-3热电性能分析***是热电领域公认精度和重复性较高的热电材料性能测量***之一，其技术特点：温度检测采用R型热电偶；标准搭载欧姆接触自我诊断程序并输出V/I图表；基于日本工业标准JIS(热电能JIS电阻率JISR1650-2)；试样支架采用独特的接触式平衡机构，保证测量的高重现性；采用高级数据采集技术，避免电路板数据采集技术带来的干扰误差。ZEM-3测量温度范围：RT-800℃、控温精度：±0.5K，测量原理，塞贝克系数：静态直流电；电阻系数：四端法；测量范围，塞贝克系数：0.5μV/K_25V/K；电阻系数：0.2Ohm-2.5KOhm分辨率，塞贝克系数：10nV/K；电阻系数：10nOhm测量精度，塞贝克系数：＜±7％；电阻系数：＜±10％。但是ZEM-3的夹具设计是为测量强度较大的体相热电材料设计的，不适用于薄膜热电材料和柔脆性材料的测量。其一，使用ZEM-3***测量刚性衬底的热电薄膜时，无法直接测量，需要对样品进行复杂的电极制作，这不但破坏了样品，无法进行其它的表征实验，而且制作电极的过程一般需要一到两天的时间，加大了样品被氧化的风险，大大拖延了实验的进度；其二，ZEM-3***在测量柔脆性材料时，由于其是上下加压的方式，在测量过程中，由于温度的升高，使得材料在测量过程中样品发生形变，甚至样品被压坏，这使得样品无法得到准确的测量数据；其三，ZEM-3***根本无法测量柔性衬底的热电薄膜的性能，因为其上下加压的方式，柔性材料根本无法被其加持。
发明内容
本发明的目的是克服上述类似于ZEM-3的现有的测量技术缺陷，提供一种辅助测量薄膜以及软脆热电材料热电性能的夹具。本发明在测试时操作简便，灵活性高，可以直接对材料进行热电参数的测试，避免了复杂电极片制作过程，改变了加压的方向保护了软脆性材料以及使得柔性衬底的薄膜可测。
本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种辅助测量薄膜以及软脆热电材料性能的夹具，所述夹具包括夹具主体、限位结构和两个金属电极片；
所述两个金属电极片均为L型结构；所述L型结构由相互垂直的A部分和B部分构成；
所述夹具主体为U型槽体，用于容纳待测材料；所述U型槽体包括两个侧板和一个底板；
所述两个侧板均设有缝隙；所述缝隙容许任一所述金属电极片的B部分穿过；所述两个侧板各自固定一个金属电极片；所述A部分固定于侧板的外表面；所述B部分穿过所述缝隙伸入U型槽体内部；
所述限位结构用于将待测材料紧贴于所述B部分，且与所述夹具相固定；
所述夹具主体和限位结构均为绝缘材料。
基于上述技术方案，优选地，所述限位结构包括紧固件和两个限位块；所述两个限位块均设于所述槽体的开口端，并分别垂直于两个侧板；所述两个限位块分别紧贴于两个金属电极片的B部分；所述紧固件为螺钉，所述底板设有与所述螺钉相适配的螺孔。
基于上述技术方案，优选地，所述螺钉为两个，分别设于所述底板的两端。
基于上述技术方案，优选地，所述螺钉为内六角螺钉；所述两个螺孔的间距为4-6mm；所述螺孔的直径为1-2mm。
基于上述技术方案，优选地，所述夹具还包括刚性绝缘衬底；所述刚性绝缘衬底与所述夹具主体、限位结构和两个金属电极片独立设置；所述夹具主体为绝缘陶瓷材料。
基于上述技术方案，优选地，所述两个金属电极片与所述夹具通过胶固定；
第二方面，本发明提供了一种上述的夹具的使用方法，所述夹具与热电材料性能测量***配套使用，所述测量***包括正、负电极和热电偶探针，具体方法如下：
步骤一：将待测材料通过所述限位结构紧贴于所述B部分，且与夹具相固定；
步骤二：将所述夹具装入所述热电材料性能测量***，所述夹具的两个金属电极片的A部分分别与所述正、负电极相接触，所述热电偶探针与待测材料相接触；启动所述热电材料性能测量***的测试程序。
基于上述技术方案，优选地，所述螺钉由所述底板的外表面旋入，所述螺钉的前端与待测材料相接触。
基于上述技术方案，优选地，待测材料为柔脆热电材料或衬底为柔性的薄膜材料时，将所述刚性绝缘衬底紧贴于待测材料与所述B部分的非接触面，所述限位结构通过刚性绝缘衬底固定待测材料。
基于上述技术方案，优选地，所述热电材料性能测量***为ZEM-3热电性能分析***。
基于上述技术方案，优选地，所述ZEM-3热电性能分析***通过四端法测量待测材料的性能。
基于上述技术方案，优选地，将所述热电材料性能测量***用于测量厚度小于3mm、宽度1.5-4mm、长度9-11mm的热电材料的性能。
有益效果
1、本发明提供的一种辅助测量薄膜以及软脆热电材料热电性能的夹具，由于其小巧的结构可以直接应用于现阶段比较成熟的热电性能测量***中，例如ZEM-3。这不但避免了复杂电极的制作过程，而且使得热电薄膜可以在现有成熟的测量***中测量，保证了测量温度范围的广泛和数据的精确性。
2、本发明所提供的夹具，其主体U型槽的结构，能有效替代材料所承受的上下的压力，将其转换为受应力较小的横向力，并且通过在夹具中加入刚性绝缘衬底作为柔性衬底和柔脆性材料的受力支撑，打破了传统热电性能测量仪器垂直加压在热电材料本身的测量局限，使得软脆性材料和柔性衬底的薄膜可以使用体相测量***来测量热电性能，极大地提高了测量的范围和效率。
3、本发明所提供的夹具中，作为测量电极的L型金属片，可以使得样品和测量电极直接联通，通过横向螺钉的施加的压力，保证了样品和金属片的欧姆接触。这样使得薄膜或是上下两端较小的样品能够有效被测量，而且避免了电极的粘接保护了样品，使得样品可以进行其他的表征实验。
4、本发明所提供的夹具测量环境是在低压He气中，在该环境中测量会减小热量的损失，增强探针和样品之间的热接触，使得温差测量的更加精确，受到外界环境的影响减小，从而减小误差提高测量结果的精确性。
附图说明
图1是本实施例测量夹具未夹待测材料的立体示意图；
图2是本实施例测量夹具夹上待测材料的立体示意图；
图3是本实施例测量夹具夹上待测材料的装配三视图；
图4是本实施例测量夹具在ZEM-3上测量的装配立体示意图；
图5是ZEM-3使用本实施例测量夹具测量薄膜热电性能的数据；
图6是ZEM-3使用本实施例测量夹具测量柔性衬底的薄膜热电性能的数据；
其中，1为绝缘陶瓷材料的夹具主体，2为金属电极片，3为内六角螺钉，4为待测材料，5为ZEM-3的上、下电极片，6为ZEM-3的热电偶探针，7为限位块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
如图1-3所示为本实施例所提供的辅助测量薄膜以及软脆热电材料性能的夹具，包括由绝缘陶瓷材料加工而成的夹具主体1、两个金属电极片2、两个内六角螺钉3、两个限位块7；所述两个金属电极片2均为L型结构；所述L型结构由相互垂直的A部分和B部分构成；所述夹具主体1为U型槽体，用于容纳待测材料；所述U型槽体包括两个侧板和一个底板；所述两个侧板均设有缝隙；所述缝隙容许任一所述金属电极片2的B部分穿过；所述两个侧板各自固定一个金属电极片2；所述A部分固定于侧板的外表面；所述B部分穿过所述缝隙伸入U型槽体内部；所述两个限位块7均设于所述槽体的开口端，并分别垂直于两个侧板；所述两个限位块7分别紧贴于两个金属电极片2的B部分；所述两个内六角螺钉3分别设于所述底板的两端，所述底板设有与内六角螺钉3相适配的螺孔，所述两个螺孔的间距为4-6mm；所述螺孔的直径为1-2mm，所述夹具还包括刚性绝缘衬底；所述刚性绝缘衬底与所述夹具主体1、限位结构和两个金属电极片2独立设置；所述刚性绝缘衬底为绝缘材料。
利用本发明夹具对薄膜材料在ZEM-3***中进行热电性能的测试，具体过程为：
步骤1：首先将制备好的薄膜热电样品装到夹具中，如图2所示，待测材料紧贴于所述B部分；两个内六角螺钉由所述底板的外表面旋入，所述螺钉的前端与待测材料相接触；待测材料的衬底为柔性材料时，将所述刚性绝缘衬底紧贴于待测材料与所述B部分的非接触面，两个内六角螺钉的前端与所述刚性绝缘衬底相接触。
步骤2：将装入待测材料的夹具装入ZEM-3***中，使夹具的两个金属电极片的A部分分别与所述正、负电极片相接触，所述热电偶探针与待测材料相接触，如图4所示，然后测试薄膜和探针之间的接触情况，测出样品的I-V曲线，如果I-V曲线过原点且有着超过0.999的线性比例，那么就代表着样品和探针有着很好的电接触。
通过四端法测量待测材料的性能，输入材料的几何参数、设置所需要的测量的温度点和所需建立的温差。
然后根据公式：R＝V/I、R＝ρl/s,α＝ΔU/ΔT
其中，l为两探针的间距，s为样品的横截面积。
步骤3：测得所设置的温度下样品的热电性能参数：电阻率和Seebeck系数。
实施例1
测量衬底为刚性材料的薄膜，其从室温到150℃的热电性能测试过程为：
步骤1：根据上述步骤，首先衬底为刚性材料的薄膜热电样品装到夹具中，如图2所示；
步骤2：将装入待测薄膜样品的夹具装入ZEM-3***中，如图4所,然后测试薄膜和探针之间的接触情况，测出样品的I-V曲线。当样品的I-V曲线为99.9％以上时，在软件的样品信息界面，将样品的厚度和宽度输入，根据样品的性能和测量的需要，设置好测量的温度范围和所需要测量温度点，并为了数据的精确性设置不同的温差，使得测量出的性能能够准确。当参数设置完后，打开真空泵进行对腔室的抽气，抽到真空后，通入He气对腔室进行吹扫，此过程反复三次，在最后一次抽完真空后，往腔室内通入0.05Mpa的He气，确保测量气氛保护样品。
步骤3：得到我们所设置的温度下样品的热电性能参数：电阻率和Seebeck系数。如图5所示。
实施例2
使用上述夹具，测量衬底为柔性材料的薄膜的热电性能，其测量过程为：
步骤1：根据上述步骤，首先衬底为柔性材料的薄膜热电样品装到夹具中，如图2所示；
步骤2：将装入待测薄膜样品的夹具装入ZEM-3***中，如图4所,然后测试薄膜和探针之间的接触情况，测出样品的I-V曲线。然后输入材料的几何参数、设置所需要的测量的温度点和所需建立的温差，操作方式同实施例1的步骤2。
步骤3：得到我们所设置的温度下样品的热电性能参数：电阻率和Seebeck系数。如图6所示。
本发明提供的一种辅助测量薄膜以及软脆热电材料热电性能的夹具，所测的材料的热电性能，通过直接使用ZEM-3***测量的数据作对比，使用本发明的夹具测量误差到达了：塞贝克系数：＜±7％；电阻系数：＜±10％。
Claims (9)
1.一种辅助测量薄膜以及柔脆热电材料性能的夹具，其特征在于，所述夹具包括夹具主体、限位结构和两个金属电极片；
所述两个金属电极片均为L型结构；所述L型结构由相互垂直的A部分和B部分构成；
所述夹具主体为U型槽体，用于容纳待测材料；所述U型槽体包括两个侧板和一个底板；
所述两个侧板均设有缝隙；所述缝隙容许任一所述金属电极片的B部分穿过；所述两个侧板各自固定一个金属电极片；所述A部分固定于侧板的外表面；所述B部分穿过所述缝隙伸入U型槽体内部；
所述限位结构用于将待测材料紧贴于所述B部分，且与所述夹具相固定；
所述夹具主体和限位结构均为绝缘材料。
2.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述限位结构包括紧固件和两个限位块；所述两个限位块均设于所述槽体的开口端，并分别垂直于两个侧板；
所述两个限位块分别紧贴于两个金属电极片的B部分；
所述紧固件为螺钉，所述底板设有与所述螺钉相适配的螺孔。
3.根据权利要求2所述的夹具，其特征在于，所述螺钉为两个，分别设于所述底板的两端。
4.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述夹具还包括刚性绝缘衬底；所述刚性绝缘衬底与所述夹具主体、限位结构和两个金属电极片独立设置；所述夹具主体为绝缘陶瓷材料。
5.一种权利要求1～4所述的夹具的使用方法，其特征在于，所述夹具与热电材料性能测量***配套使用，所述测量***包括正、负电极和热电偶探针，具体方法如下：
步骤一：将待测材料通过所述限位结构紧贴于所述B部分，且与夹具相固定；
步骤二：将所述夹具装入所述热电材料性能测量***，所述夹具的两个金属电极片的A部分分别与所述正、负电极相接触，所述热电偶探针与待测材料相接触，启动所述热电材料性能测量***的测试程序。
6.根据权利要求5所述的夹具的使用方法，其特征在于，所述螺钉由所述底板的外表面旋入，所述螺钉的前端与待测材料相接触。
7.根据权利要求5所述的夹具的使用方法，其特征在于，待测材料为柔脆热电材料或衬底为柔性的薄膜材料时，将所述刚性绝缘衬底紧贴于待测材料与所述B部分的非接触面，所述限位结构通过刚性绝缘衬底固定待测材料。
8.根据权利要求5所述的夹具的使用方法，其特征在于，所述热电材料性能测量***为ZEM-3热电性能分析***。
9.根据权利要求8所述的夹具的使用方法，其特征在于，所述ZEM-3热电性能分析***通过四端法测量待测材料的性能。
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