【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國科學院工程熱物理研究所儲能研發(fā)中心在微納材料的熱電性能表征方法方面取得進展，為微納材料熱電參數(shù)的精確測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者們一直追求的目標，將材料進行微納結(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)是評價材料熱電性能的關(guān)鍵指標，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)儀測量賽貝克系數(shù)及電導(dǎo)率后，通過公式ZT=S2σT/k計算獲得熱電優(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的測量困難越來越突出。
實驗室里通過懸浮器件、掃描探針、預(yù)置電路等方法分別制樣，分開表征微納材料熱導(dǎo)率、賽貝克系數(shù)及電導(dǎo)率計算獲得ZT，不僅誤差大，而且會因為多次制樣的微納結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致錯誤的ZT計算結(jié)果。因此迫切需要開發(fā)更準確和精確的原位綜合測量方法。
對此，研究人員綜述了現(xiàn)有的微納材料熱參數(shù)和電參數(shù)測量方法的適用范圍、優(yōu)缺點以及升級改造為原位綜合測量面臨的挑戰(zhàn)。同時總結(jié)了現(xiàn)有微納材料熱電性能綜合測量方法的難點及發(fā)展趨勢，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：
對于傳統(tǒng)3ω-T型方法，需在原有的基礎(chǔ)上增加測量電極，使用四探針法測量電導(dǎo)率，結(jié)合3ω法測量熱導(dǎo)率，從而實現(xiàn)熱電參數(shù)的高精度綜合測量。
對于懸浮式微器件，通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和懸浮處理，可以綜合測量納米線和薄膜的熱電參數(shù)。值得注意的是，在測量微/納米結(jié)構(gòu)時需要考慮樣品轉(zhuǎn)移的困難。
結(jié)合光學和微電極方法可以對熱電參數(shù)進行綜合測量。用光學法測量薄膜的面內(nèi)熱導(dǎo)率和微電極測量薄膜的電導(dǎo)率，通過在薄膜表面形成溫差可以測量塞貝克電壓，進而實現(xiàn)薄膜面內(nèi)熱電參數(shù)的測量。
熱探頭與電探針相結(jié)合也可以實現(xiàn)一體化測量。通過熱探針和電探針同時測量樣品的熱導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)，結(jié)合外部電路測量電導(dǎo)率。該方法可實現(xiàn)樣品法向熱電參數(shù)的測量。
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。上述工作得到了國家自然科學基金、中科院科學儀器研制項目和中科院輕型動力創(chuàng)新研究院項目的支持。
圖1 現(xiàn)有微納材料熱電性能測量方法
圖2 未來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)改進的懸浮器件法；(c)光學與四探針結(jié)合法；(d)改進的掃描顯微鏡法
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