【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所儲(chǔ)能研發(fā)中心在微納材料的熱電性能表征方法方面取得進(jìn)展，為微納材料熱電參數(shù)的精確測(cè)量和一體化原位表征提供了研究思路。
提高材料的熱電性能是學(xué)者們一直追求的目標(biāo)，將材料進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)化是提高熱電性能的重要且有效的方法之一。熱電參數(shù)(熱電優(yōu)值ZT、熱導(dǎo)率k、賽貝克系數(shù)S和電導(dǎo)率σ)是評(píng)價(jià)材料熱電性能的關(guān)鍵指標(biāo)，熱電參數(shù)的精確表征是高性能材料研發(fā)及應(yīng)用的基礎(chǔ)。
然而目前商用儀器只能在熱導(dǎo)儀表征材料熱導(dǎo)率、賽貝克系數(shù)儀測(cè)量賽貝克系數(shù)及電導(dǎo)率后，通過(guò)公式ZT=S2σT/k計(jì)算獲得熱電優(yōu)值，誤差較大。更重要的是，商用儀器不適用于微納材料，而隨著微納結(jié)構(gòu)化處理，由于樣品尺度減小帶來(lái)的測(cè)量困難越來(lái)越突出。
實(shí)驗(yàn)室里通過(guò)懸浮器件、掃描探針、預(yù)置電路等方法分別制樣，分開(kāi)表征微納材料熱導(dǎo)率、賽貝克系數(shù)及電導(dǎo)率計(jì)算獲得ZT，不僅誤差大，而且會(huì)因?yàn)槎啻沃茦拥奈⒓{結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致錯(cuò)誤的ZT計(jì)算結(jié)果。因此迫切需要開(kāi)發(fā)更準(zhǔn)確和精確的原位綜合測(cè)量方法。
對(duì)此，研究人員綜述了現(xiàn)有的微納材料熱參數(shù)和電參數(shù)測(cè)量方法的適用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)以及升級(jí)改造為原位綜合測(cè)量面臨的挑戰(zhàn)。同時(shí)總結(jié)了現(xiàn)有微納材料熱電性能綜合測(cè)量方法的難點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)，并提出適用于一維納米管和二維薄膜材料熱電性能原位直接一體表征方法的策略。
研究人員提出：
對(duì)于傳統(tǒng)3ω-T型方法，需在原有的基礎(chǔ)上增加測(cè)量電極，使用四探針?lè)y(cè)量電導(dǎo)率，結(jié)合3ω法測(cè)量熱導(dǎo)率，從而實(shí)現(xiàn)熱電參數(shù)的高精度綜合測(cè)量。
對(duì)于懸浮式微器件，通過(guò)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和懸浮處理，可以綜合測(cè)量納米線和薄膜的熱電參數(shù)。值得注意的是，在測(cè)量微/納米結(jié)構(gòu)時(shí)需要考慮樣品轉(zhuǎn)移的困難。
結(jié)合光學(xué)和微電極方法可以對(duì)熱電參數(shù)進(jìn)行綜合測(cè)量。用光學(xué)法測(cè)量薄膜的面內(nèi)熱導(dǎo)率和微電極測(cè)量薄膜的電導(dǎo)率，通過(guò)在薄膜表面形成溫差可以測(cè)量塞貝克電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)薄膜面內(nèi)熱電參數(shù)的測(cè)量。
熱探頭與電探針相結(jié)合也可以實(shí)現(xiàn)一體化測(cè)量。通過(guò)熱探針和電探針同時(shí)測(cè)量樣品的熱導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)，結(jié)合外部電路測(cè)量電導(dǎo)率。該方法可實(shí)現(xiàn)樣品法向熱電參數(shù)的測(cè)量。
相關(guān)成果以Progress in measurement of thermoelectric properties of micro/nano thermoelectric materials: A critical review為題在線發(fā)表在Nano Energy上。上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院科學(xué)儀器研制項(xiàng)目和中科院輕型動(dòng)力創(chuàng)新研究院項(xiàng)目的支持。
圖1 現(xiàn)有微納材料熱電性能測(cè)量方法
圖2 未來(lái)可行的微納材料熱電參數(shù)原位直接一體表征技術(shù)：(a)(b)改進(jìn)的懸浮器件法；(c)光學(xué)與四探針結(jié)合法；(d)改進(jìn)的掃描顯微鏡法
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