CN109738481A - 一种薄膜材料的赛贝克系数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄膜材料的赛贝克系数测量装置及方法，所述装置包括样品载台、衬底、激光器、电压表、第一热电偶和第二热电偶，待测试的薄膜材料采用薄膜沉积方法制备于所述衬底上，所述衬底放置于所述样品载台上，所述第一热电偶和第二热电偶均与电压表电连接；所述第一热电偶和第二热电偶与所述衬底上的薄膜材料表面形成欧姆接触，且所述第一热电偶与薄膜材料的接触点位于激光器照射时的激光光斑位置，通过所述第一热电偶和第二热电偶测量薄膜材料上两热电偶接触点之间的温度差值；通过电压表测量薄膜材料上两热电偶接触点之间的电势差。本发明采用非接触加热，利于薄膜材料面内产生恒定温差，可有效进行薄膜材料的赛贝克系数测量。

Description

一种薄膜材料的赛贝克系数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及薄膜材料物理性能检测领域，具体涉及薄膜材料的赛贝克系数测量装置及方法。

背景技术

热电材料是一种将“热”和“电”直接转换的功能材料，其工作原理是固体在不同温度下具有不同的电子(或空穴)激发特征,当热电材料两端存在温差时，材料两端电子或空穴激发数量的差异将形成电势差(电压)；热电材料主要应用有：温差发电、热电制冷、作为传感器和温度控制器在微电子器件和EMS中的应用。如热电发电器应用于人造卫星上可实现长效远距离，无人维护的热电发电站；热电制冷不需要氟利昂等制冷剂，就可以替代目前用氟利昂制冷的压缩机制冷系统。热电传感器和温度控制器还可以应用于医学、高性能接收器和高性能红外传感器等方面，同时还可以为电子计算机、广通讯及激光打印机等系统提供恒温环境。赛贝克系数(Seebeck Coefficient)是评价热电材料性能的重要指标之一，其表达式为S＝dV/dT，其中，dT为热电材料上两点间的温度差；dV为相应两点间的温差电动势。

传统的热电测量装置主要针对块体材料，具体为对被夹持的块体样品材料一端加热，使块体样品两端产生温差，随后采用两根热电偶测量块体侧面不同位置的表面温度及电势，从而计算该材料的赛贝克系数。对于薄膜样品材料，样品通常为片状结构，普通夹具难以有效夹持。此外对薄膜样品由于很薄，面内方向热流传递截面积较小，传热效率不高，向样品的一端加热，难以与另一端产生恒定温差。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种针对薄膜材料的赛贝克系数测量装置及方法，具有样品易于安装的特点，同时采用非接触加热，利于薄膜材料面内产生恒定温差，可有效进行薄膜材料的赛贝克系数测量，本发明的技术方案如下：

作为本发明的第一方面，所述装置包括样品载台、激光器、电压表、第一热电偶和第二热电偶，所述样品载台上放置有待测试的薄膜材料，所述第一热电偶和第二热电偶均与电压表电连接；

所述激光器，用于产生激光束照射在薄膜材料上；

所述第一热电偶和第二热电偶，用于在测量时与薄膜材料表面形成欧姆接触，所述第一热电偶与薄膜材料的接触点和所述第二热电偶与薄膜材料的接触点之间间隔有一定距离，且所述第一热电偶与薄膜材料的接触点位于激光器照射时的激光光斑位置，通过所述第一热电偶和第二热电偶测量薄膜材料上两热电偶接触点之间的温度差值；

所述电压表，用于测量薄膜材料上两热电偶接触点之间的电势差。

进一步地，还包括衬底和静电吸附装置，待测试的薄膜材料采用薄膜沉积方法制备于所述衬底上，所述衬底放置于所述样品载台上，所述静电吸附装置位于所述样品载台内且与所述衬底的底面相接触，用于对所述衬底形成静电吸附。

进一步地，所述静电吸附装置包括多个圆柱电极，所述样品载台与衬底的接触面开通多个圆孔，所述圆柱电极的圆柱面穿过所述圆孔与所述衬底的底面相接触，对所述衬底形成静电吸附。

进一步地，还包括温控装置和加热丝，所述加热丝位于所述样品载台内，所述样品载台与衬底的接触面开设有供加热丝穿过的环形孔，所述加热丝穿过所述环形孔与所述衬底的底面相接触，所述温控装置与所述加热丝电连接，用于控制加热丝的加热功率。

进一步地，所述温控装置包括功率调整器、温度传感器和PID控制器，所述温度传感器位于所述样品载台，所述样品载台与衬底的接触面还开设有供温度传感器穿过的通孔，所述温度传感器穿过所述通孔与所述衬底的底面相接触，所述加热丝和所述PID控制器均与所述功率调整器电连接，所述温度传感器与所述PID控制器电连接。

进一步地，还包括密闭腔室和真空管，所述样品载台、衬底、激光器、电压表、第一热电偶和第二热电偶均位于所述密闭腔室中，所述真空管的一端开口与所述密闭腔室连通，所述真空管的另一端开口用于用真空泵上的真空管连通。

进一步地，所述第一热电偶与薄膜材料的接触点位于薄膜材料的中心区域，所述激光器照射时的激光光斑位于薄膜材料的中心区域。

作为本发明的另一方面，提供一种薄膜材料的赛贝克系数测量方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将薄膜材料沉积于所述衬底上，将衬底放置于样品载台上，对圆柱电极通电使其与衬底形成静电吸附，使衬底固定于样品载台上；

步骤2，对密闭腔室进行抽真空，使薄膜材料、衬底、样品载台处于真空环境下；

步骤3，开启激光器，对第一热电偶所接触的薄膜材料位置进行激光照射，通过所述第一热电偶和第二热电偶测量薄膜材料上两热电偶接触点之间的温度差值dT，通过电压表测量薄膜材料上两热电偶接触点之间的电势差dV；

步骤4，根据求赛贝克系数的公式，计算出薄膜材料的赛贝克系数，表示为如下第一公式：

公式(一)：S＝dV/dT，

其中，S为薄膜材料的赛贝克系数，dV为薄膜材料上两热电偶接触点之间的电势差，dT为薄膜材料上两热电偶接触点之间的温度差值。

进一步地，所述步骤4还包括：

改变激光器的功率，即改变薄膜材料上激光光斑处的温度，记录不同激光器功率下的dT和dV；

根据不同激光器功率下的dT和dV进行一阶线性拟合，从而计算出在不同加热温度下薄膜材料的拟合赛贝克系数。

进一步地，所述方法还包括：

改变加热丝的加热功率，使衬底的温度发现变化，重复步骤1至步骤4，从而获得不同环境温度下的薄膜材料的赛贝克系数。

本发明的有益效果：

本发明提出一种针对薄膜材料的赛贝克系数测量装置及方法，将薄膜材料使用薄膜沉积方法制备于所述衬底上，测试时，将衬底放置于样品载台上，开启激光器产生激光束照射于所述衬底的薄膜材料上，使第一热电偶与薄膜材料的激光光斑处欧姆接触，第二热电偶与薄膜材料的另一点欧姆接触，利用两个热电偶测量薄膜材料上两点间的温度差，利用电压表测量薄膜材料上两点间的电势差，最后利用赛贝克公式计算出薄膜材料的赛贝克系数，本发明具有样品易于安装的特点，同时采用非接触加热，利于薄膜材料面内产生恒定温差，可有效进行薄膜材料的赛贝克系数测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种薄膜材料的赛贝克系数测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种薄膜材料的赛贝克系数测量装置的俯视图；

附图标记说明：1、样品载台，2、衬底，3、薄膜材料，4、激光器，5、激光束，6、第一热电偶，7、第二热电偶，8、加热丝，9、圆柱电极，10、温度传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图2所示，作为本发明的第一方面，提供一种薄膜材料的赛贝克系数测量装置，所述装置包括样品载台1、衬底2、激光器4、电压表、第一热电偶6和第二热电偶7，待测试的薄膜材料3采用薄膜沉积方法制备于所述衬底2上，所述衬底2放置于所述样品载台1上，所述第一热电偶6和第二热电偶7均与电压表电连接；

所述激光器4，用于产生激光束5照射在衬底2上的薄膜材料3上；

所述第一热电偶6和第二热电偶7，用于在测量时与所述衬底2上的薄膜材料3表面形成欧姆接触，所述第一热电偶6与薄膜材料3的接触点和所述第二热电偶7与薄膜材料3的接触点之间间隔有一定距离，且所述第一热电偶6与薄膜材料3的接触点位于激光器4照射时的激光光斑位置，通过所述第一热电偶6和第二热电偶7测量薄膜材料3上两热电偶接触点之间的温度差值；

所述电压表，用于测量薄膜材料3上两热电偶接触点之间的电势差。

优选地，所述第一热电偶6与薄膜材料3的接触点位于薄膜材料3的中心区域，所述激光器4照射时的激光光斑也位于薄膜材料3的中心区域。

其中，所述样品载台1为长方体结构，所述样品台内部为中空结构，所述样品台内部设置有静电吸附装置，所述静电吸附装置包括多个圆柱电极9，所述样品载台1与衬底2的接触面开通多个圆孔，所述圆柱电极9的圆柱面穿过所述圆孔与所述衬底2的底面相接触，对所述衬底2形成静电吸附。

优选地，所述测量装置还包括温控装置和加热丝8，所述加热丝8位于所述样品载台1内，所述样品载台1与衬底2的接触面还开设有供加热丝8穿过的环形孔，所述加热丝8穿过所述环形孔与所述衬底2的底面相接触，所述温控装置与所述加热丝8电连接，用于控制加热丝8的加热功率，从而改变衬底2的温度，为薄膜材料3提供不同的温度环境。

优选地，述温控装置包括功率调整器、温度传感器10和PID控制器，所述温度传感器10位于所述样品载台1，所述样品载台1与衬底2的接触面还开设有供温度传感器10穿过的通孔，所述温度传感器10穿过所述通孔与所述衬底2的底面相接触，用于获取衬底2表面的温度，所述加热丝8和所述PID控制器均与所述功率调整器电连接，所述温度传感器10与所述PID控制器电连接，通过所述PID控制器对功率调整器的输出功率进行PID控制，从而确保衬底2表面的温度稳定。

优选地，所述测量装置还包括密闭腔室和真空管，所述样品载台1、衬底2、激光器4、电压表、第一热电偶6和第二热电偶7均位于所述密闭腔室中，所述真空管的一端开口与所述密闭腔室连通，所述真空管的另一端开口用于用真空泵上的真空管连通，测试时，将所述真空管的另一端开口与真空泵上的真空管连通，利用真空泵可将密闭腔室中的空气抽空，从而形成真空的密闭腔室。

作为本发明的另一方面，提供一种薄膜材料的赛贝克系数测量方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将薄膜材料3使用薄膜沉积方法制备于所述衬底2上，将衬底2放置于样品载台1上，对圆柱电极9通电使其与衬底2形成静电吸附，使衬底2固定于样品载台1上；

步骤2，将密闭腔室内的空气抽空，使薄膜材料3、衬底2、样品载台1、第一热电偶6和第二热电偶7处于真空环境下；

步骤3，开启激光器4，对第一热电偶6所接触的薄膜材料3位置进行激光照射，通过所述第一热电偶6和第二热电偶7测量薄膜材料3上两热电偶接触点之间的温度差值dT，通过电压表测量薄膜材料3上两热电偶接触点之间的电势差dV；

步骤4，根据求赛贝克系数的公式，计算出薄膜材料3的赛贝克系数，表示为如下第一公式：

公式(一)：S＝dV/dT，

其中，S为薄膜材料3的赛贝克系数，dV为薄膜材料3上两热电偶接触点之间的电势差，dT为薄膜材料3上两热电偶接触点之间的温度差值。

优选地，所述步骤4还包括：

改变激光器4的功率，即改变薄膜材料3上激光光斑处的温度，记录不同激光器功率下的dT和dV；

根据不同激光器4功率下的dT和dV进行一阶线性拟合，从而计算出在不同加热温度下薄膜材料3的拟合赛贝克系数。

优选地，所述方法还包括：

改变加热丝8的加热功率，使衬底2的温度发现变化，重复步骤1至步骤4，从而获得不同环境温度下的薄膜材料的赛贝克系数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种薄膜材料的赛贝克系数测量装置，其特征在于，所述装置包括样品载台、激光器、电压表、第一热电偶和第二热电偶，所述样品载台上放置有待测试的薄膜材料，所述第一热电偶和第二热电偶均与电压表电连接；

所述激光器，用于产生激光束照射在薄膜材料上；

所述第一热电偶和第二热电偶，用于在测量时与薄膜材料表面形成欧姆接触，所述第一热电偶与薄膜材料的接触点和所述第二热电偶与薄膜材料的接触点之间间隔有一定距离，且所述第一热电偶与薄膜材料的接触点位于激光器照射时的激光光斑位置，通过所述第一热电偶和第二热电偶测量薄膜材料上两热电偶接触点之间的温度差值；

所述电压表，用于测量薄膜材料上两热电偶接触点之间的电势差。

2.根据权利要求1所述的薄膜材料的赛贝克系数测量装置，其特征在于，还包括衬底和静电吸附装置，待测试的薄膜材料采用薄膜沉积方法制备于所述衬底上，所述衬底放置于所述样品载台上，所述静电吸附装置位于所述样品载台内且与所述衬底的底面相接触，用于对所述衬底形成静电吸附。

3.根据权利要求2所述的薄膜材料的赛贝克系数测量装置，其特征在于，所述静电吸附装置包括多个圆柱电极，所述样品载台与衬底的接触面开通多个圆孔，所述圆柱电极的圆柱面穿过所述圆孔与所述衬底的底面相接触，对所述衬底形成静电吸附。

4.根据权利要求2所述的薄膜材料的赛贝克系数测量装置，其特征在于，还包括温控装置和加热丝，所述加热丝位于所述样品载台内，所述样品载台与衬底的接触面开设有供加热丝穿过的环形孔，所述加热丝穿过所述环形孔与所述衬底的底面相接触，所述温控装置与所述加热丝电连接，用于控制加热丝的加热功率。

5.根据权利要求3所述的薄膜材料的赛贝克系数测量装置，其特征在于，所述温控装置包括功率调整器、温度传感器和PID控制器，所述温度传感器位于所述样品载台，所述样品载台与衬底的接触面还开设有供温度传感器穿过的通孔，所述温度传感器穿过所述通孔与所述衬底的底面相接触，所述加热丝和所述PID控制器均与所述功率调整器电连接，所述温度传感器与所述PID控制器电连接。

6.根据权利要求2所述的薄膜材料的赛贝克系数测量装置，其特征在于，还包括密闭腔室和真空管，所述样品载台、衬底、激光器、电压表、第一热电偶和第二热电偶均位于所述密闭腔室中，所述真空管的一端开口与所述密闭腔室连通，所述真空管的另一端开口用于用真空泵上的真空管连通。

7.根据权利要求2所述的薄膜材料的赛贝克系数测量装置，其特征在于，所述第一热电偶与薄膜材料的接触点位于薄膜材料的中心区域，所述激光器照射时的激光光斑位于薄膜材料的中心区域。

8.一种薄膜材料的赛贝克系数测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将制备有薄膜材料的衬底放置于样品载台上，对圆柱电极通电使其对衬底形成静电吸附，使衬底固定于样品载台上；

步骤2，将密闭腔室内的空气抽空，使薄膜材料、衬底、样品载台、第一热电偶和第二热电偶处于真空环境下；

步骤3，开启激光器，对第一热电偶所接触的薄膜材料位置进行激光照射，通过所述第一热电偶和第二热电偶测量薄膜材料上两热电偶接触点之间的温度差值dT，通过电压表测量薄膜材料上两热电偶接触点之间的电势差dV；

步骤4，根据求赛贝克系数的公式，计算出薄膜材料的赛贝克系数，表示为如下第一公式：

公式(一)：S＝dV/dT，

其中，S为薄膜材料的赛贝克系数，dV为薄膜材料上两热电偶接触点之间的电势差，dT为薄膜材料上两热电偶接触点之间的温度差值。

9.根据权利要求8所述的薄膜材料的赛贝克系数测量方法，其特征在于，所述步骤4还包括：

改变激光器的功率，即改变薄膜材料上激光光斑处的温度，记录不同激光器功率下的dT和dV；

根据不同激光器功率下的dT和dV进行一阶线性拟合，从而计算出在不同加热温度下薄膜材料的拟合赛贝克系数。

10.根据权利要求9所述的薄膜材料的赛贝克系数测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

改变加热丝的加热功率，使衬底的温度发现变化，重复步骤1至步骤4，从而获得不同环境温度下的薄膜材料的赛贝克系数。