CN111551581A - 一种热电材料性能测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种热电材料性能测量系统，该系统包括：样品承载单元、磁场控制单元、温度控制单元、马达控制单元和信号处理单元，样品承载单元与温度控制单元、马达控制单元和信号处理单元连接；样品承载单元包括样品载体以及信号传输端子；品载体表面设置有多个信号端子，多个信号端子包括多个相互垂直的第一信号端子和第二信号端子；样品承载单元还包括温度信号传输元件，温度信号传输元件与温度控制单元连接，用于向待测样品传输温度信号；温度信号传输元件至少包括第一温度信号传输元件和第二温度信号传输元件，两者传输的温度不同。本发明实施例提供的测量系统，可以同时测量反常纳斯特效应、塞贝克系数和反常霍尔效应。

Description

一种热电材料性能测量系统
技术领域
本发明实施例涉及热电材料领域，尤其涉及一种热电材料性能测量系统。
背景技术
在固态样品中，温度梯度会产生一定的电压，在热电材料中，当这种效应足够强大，便可以实现将余热转化成为电能，但这种效应受到材料性能的限制，而材料性能具体体现在了反常纳斯特效应(Anomalous Nernst effect，简称ANE)、塞贝克系数(SeebeckCoefficient，简称SC)、异常霍尔效应(Anomalous Hall effect，简称AHE)等参数中。
在现有技术中，SC的测量系统是紧凑封闭的，无法为AHE和ANE的测量提供外部磁场，需要专门的设备来测量，所以现有技术中提供的系统无法同时测量ANE、SC和AHE参数。
发明内容
本发明实施例提供一种热电材料性能测量系统，解决了热电材料中的塞贝克系数、反常纳斯特效应和反常霍尔效应必须分别测量的问题。
为达此目的，本发明实施例提供一种热电材料性能测量系统，该热电材料性能测量系统包括：样品承载单元、磁场控制单元、温度控制单元、马达控制单元和信号处理单元，所述样品承载单元分别与所述温度控制单元、所述马达控制单元和所述信号处理单元连接；
所述样品承载单元包括样品载体以及信号传输端子；所述样品载体用于承载待测样品，且所述样品载体表面设置有多个信号端子，多个所述信号端子包括沿第一方向排列的多个第一信号端子和沿第二方向排列的多个第二信号端子，所述第一方向与所述第二方向垂直；
所述样品承载单元还包括温度信号传输元件，所述温度信号传输元件与所述温度控制单元连接，用于向所述待测样品传输温度信号；所述温度信号传输元件至少包括第一温度信号传输元件和第二温度信号传输元件，所述第一温度信号传输元件与所述第二温度信号传输元件传输的温度不同。
可选地，所述热电材料性能测量系统还包括温度-电流测试单元；
所述温度-电流测试单元用于确实待测样品中温度梯度与电流的对应关系。
可选地，所述温度-电流测试单元包括独立设置的第一温度-电流测试分部和第二温度-电流测试分部，所述第一温度-电流测试分部和所述第二温度-电流测试分部均包括支撑载台、温度传感器以及温度传感器调节元件，所述温度传感器调节元件与所述温度传感器连接，且所述温度传感器调节元件与所述温度传感器均设置于所述支撑载台上；
所述温度传感器调节元件包括第一调节旋钮和第二调节旋钮，所述第一调节旋钮和第二调节旋钮用于调节所述温度传感器在所述待测样品所在平面移动。
可选地，所述样品承载单元还包括样品支架、支撑杆、固定杆和机械支架；
所述样品支架用于支撑所述样品载体，且所述信号传输端子与所述样品支架固定连接；
所述支撑杆用于支撑所述样品支架；
所述固定杆设置于所述支撑杆远离所述样品支架的一侧，且所述固定杆与所述机械支架连接；
所述机械支架与所述马达控制单元连接，用于跟随所述马达控制单元转动，并带动所述固定杆、所述支撑杆、所述样品支架以及所述样品载体转动。
可选地，所述固定杆外表面设置有螺纹；
所述机械支架包括多个连接孔，所述连接孔的内表面设置有螺纹；
所述固定杆与所述机械支架螺纹连接。
可选地，所述热电材料性能测量系统还包括屏蔽单元，所述屏蔽单元包围所述样品承载单元。
可选地，所述屏蔽单元内表面设置有噪声屏蔽材料和辐射屏蔽材料。
可选地，所述磁场控制单元包括第一磁极和第二磁极；
所述样品承载单元设置于所述第一磁极和所述第二磁极之间。
可选地，所述第一温度信号传输元件包括珀耳帖加热元件，所述第二温度信号传输元件包括珀耳帖制冷元件。
可选地，所述样品承载单元还包括电气连接盒；
所述电气连接盒分别与所述信号传输端子和所述温度信号传输元件电连接。
本发明实施例提供的热电材料性能测量系统，样品承载单元与温度控制单元连接，通过温度控制单元控制样品承载单元上的第一温度信号传输元件和第二温度传输元件产生不同温度，从而获得温度梯度。待测样品连接在样品载体上，并与信号传输端子相连，通过多个相互垂直排列的信号端子，既可以获取待测样品的纵向温度梯度、纵向电压，也可以获得待测样品的横向电压数据，其中纵向电压以及纵向温度梯度用来测量塞贝克系数，横向电压用来测量反常纳斯特效应以及反常霍尔效应，以此达到在同一个系统内同时测量塞贝克系数、反常纳斯特效应以及反常霍尔效应的目的。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种热电材料性能测量系统。
图2是本发明实施例提供的一种样品承载单元结构示意图。
图3是本发明实施例提供的一种样品载体示意图。
图4是本发明实施例提供的一种温度-电流测试单元示意图。
图5是本发明实施例提供的一种温度信号传输元件示意图。
图6是本发明实施例提供的一种电气连接盒示意图。
图7是本发明实施例提供的一种平面内测量待测样品的检测连接图。
图8是本发明实施例提供的一种平面外测量待测样品的检测连接图
图9是本发明实施例提供的另一种平面内测量待测样品的检测连接图。
图10是本发明实施例提供的另一种平面外测量待测样品的检测连接图。
图11是本发明实施例提供的又一种样品载体示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
图1是本发明实施例提供的一种热电材料性能测量系统，图2是本发明实施例提供的一种样品承载单元结构示意图，图3是本发明实施例提供的一种样品载体示意图，如图1、图2和图3所示，热电材料性能测量系统包括：样品承载单元1、磁场控制单元2、温度控制单元3、马达控制单元4和信号处理单元5，样品承载单元1分别与温度控制单元3、马达控制单元4和信号处理单元连接5；
样品承载单元1包括样品载体13以及信号传输端子17；样品载体13用于承载待测样品，且样品载体13表面设置有多个信号端子，多个信号端子包括沿第一方向排列的多个第一信号端子131和沿第二方向排列的多个第二信号端子132，第一方向与第二方向垂直；样品承载单元1还包括温度信号传输元件12，温度信号传输元件12与温度控制单元3连接，用于向待测样品传输温度信号；温度信号传输元12件至少包括第一温度信号传输元件121和第二温度信号传输元件122，第一温度信号传输元件121与第二温度信号传输元件122传输的温度不同。
示例性的，如图2所示，样品承载单元1包括了样品载体13以及6个信号端子17，6个信号端子17与样品连接，用于传输样品的参数信息。在第一方向(如图中所示的X方向)上排列着第一信号端子131，垂直于第一方向的第二方向(如图中所示的Y方向)上排列着第二信号端子132。
样品承载单元1与马达控制单元4连接，在磁场控制单元2产生的磁场内发生自旋，并且在自旋时，温度控制单元3为样品承载单元1提供温度梯度。样品承载单元1中的样品载体13承载着待测样品，通过样品载体13表面的多个信号端子，将待测样品的数据传输出去，用来计算待测样品的SC、ANE和AHE。示例性的，如图2所示，第一信号端子131以及第二信号端子132连接待测样品，当需要测量SC时，采用纵向的温度梯度，只需测量第一子信号端子1311和第三子信号端子1313或者第四子信号端子1314和第六子信号端子1316之间的纵向电压；当需要测量ANE时，在施加了平面内或者平面外磁场后，测量第二信号子端子1312和第五信号子端子1315之间的电压即可；当需要测量AHE时，向第一子信号端子1311和第三子信号端子1313或者向第四子信号端子1314和第六子信号端子1316注入直流电流，并测量第二信号子端子1312和第五信号子端子1315之间的电压。其中温度梯度由温度控制单元3产生，磁场由磁场控制单元2施加。通过本发明实施例提供的热电材料性能测量系统，在测量不同的热电材料参数时，不需要移除样品或者改变机械电气结构，也不需要单独提供专门的测试设备，仅仅通过改变测量待测样品的不同信号端子的电压，就可以实现同时测量SC、ANE和AHE的目的。
图4是本发明实施例提供的一种温度-电流测试单元示意图，如图4所示，可选地，热电材料性能测量系统还包括温度-电流测试单元6；
温度-电流测试单元6用于确实待测样品中温度梯度与电流的对应关系。
温度-电流测试单元6用于确定待测样品在没有磁场的环境下，温度梯度与电流的对应关系。在测量待测样品的SC、ANE和AHE参数之前，利用温度-电流测试单元6在远离磁场的环境下得到待测样品温度梯度与电流之间的对应关系，在测量待测样品时，通过温度控制单元改变电流大小从而改变施加在待测样品上的温度梯度，间接的获得了待测样品的温度梯度，避免了磁场对温度梯度的影响，从而造成最终测量待测样品的SC、ANE和AHE参数不准确。
可选地，温度-电流测试单元6包括独立设置的第一温度-电流测试分部61和第二温度-电流测试分部62，第一温度-电流测试分部61和第二温度-电流测试分部62均包括支撑载台63、温度传感器64以及温度传感器调节元件65，温度传感器调节元件65与温度传感器64连接，且温度传感器调节元件65与温度传感器64均设置于支撑载台63上；
温度传感器调节元件65包括第一调节旋钮651和第二调节旋钮652，第一调节旋钮651和第二调节旋钮652用于调节温度传感器64在待测样品所在平面移动。
第一温度-电流测试分部61与第二温度-电流测试分部62相互独立，且结构相同，通过支撑在台63，可以将温度-电流测试单元固定在磁场外部，测量待测样品温度-电流对应关系时，避免了磁场的影响，温度传感器64用来检测待测样品两点之间的温度梯度，温度传感器调节元件通过第一调节旋钮651和第二旋钮652调节温度传感器64在X-Y方向上的位置，实现即可测量微米级材料又可测量纳米级材料的效果。支撑载台63提升了温度-电流测试单元6的便携式，使得温度的测量可以远离磁场的影响，在温度传感器64上记录的温度差除以两个温度传感器64之间的距离，就可以得到预期的温度梯度，示例性的，温度传感器64之间的距离设置为3-6毫米。
继续参照图2，可选地，样品承载单元1还包括样品支架14、支撑杆15、固定杆16和机械支架(图中未示出)；
样品支架14用于支撑样品载体13，且信号传输端子17与样品支架14固定连接；
支撑杆15用于支撑样品支架14；
固定杆16设置于支撑杆15远离样品支架14的一侧，且固定杆16与机械支架连接；
机械支架与马达控制单元连接，用于跟随马达控制单元转动，并带动固定杆16、支撑杆15、样品支架14以及样品载体13转动。
样品支架14上连接着多个信号输出端子17，用于输出待测样品的测量数据。由于SC、ANE和AHE的测量是非常敏感的测量，机械振动以及声音的微小波动都有可能影响到测量结果，所以样品载体13、样品支架14以及支撑杆15通过固定杆16连接在机械支架上，减小了环境中的机械振动，精确的测量上述参数。
可选地，固定杆16外表面设置有螺纹；
机械支架包括多个连接孔，连接孔的内表面设置有螺纹；
固定杆16与机械支架螺纹连接。
固定杆16通过螺纹连接在机械支架上，进一步的减小了机械产生的振动，提升了整个系统的稳定性。
由于电磁系统需要外部冷却系统冷却，而冷却系统会产生机械振动，在检测样品的SC、ANE和AHE时，微小的振动将会对检测结果产生影响，所以在固定杆16上设置了螺纹，通过与机械支架固定，在最小的范围内减小振动噪音，并且，机械支架上包括了多个连接孔，可以使得固定杆16通过螺纹连接到机械支架的不同位置，有效调节样品在磁场中的位置，使得样品在磁场中更充分的被磁化，样品内部的物质更容易沿一特定方向排列，从而提高测量准确度。可选地，热电材料性能测量系统还包括屏蔽单元，屏蔽单元包围样品承载单元。
可选地，屏蔽单元内表面设置有噪声屏蔽材料和辐射屏蔽材料。
屏蔽单元用来屏蔽声音对待测样品测量的影响，屏蔽单元内部贴附这一层声音吸附材料，通过该材料吸收机械振动产生的噪音或者温度控制单元产生的热噪音。提高系统测量的精准度。
继续参照图1，可选地，磁场控制单元2包括第一磁极21和第二磁极22；
样品承载单元1设置于第一磁极21和第二磁极22之间。
对于微米级样品，现有技术中是通过对样品表面同时施加两个电极来测量温度和电压，通常微米级的样品厚度为5-6毫米，在表面施加一些应力不会影响材料性能，但是当测量纳米级材料的时候，施加相同的应力就会对测量结果产生影响，甚至会对纳米级样品产生损伤，因此，将样品承载单元1设置于第一磁极21和第二磁极22之间使得磁极与样品非接触，避免了应力对样品测试的影响，由于磁极并不接触与样品，所以既可以测量微米级的材料，又可以测量纳米级的材料。
可选地，第一温度信号传输元件121包括珀耳帖加热元件，第二温度信号传输元件122包括珀耳帖制冷元件。
图5是本发明实施例提供的一种温度信号传输元件示意图，如图5所示，通过交流电流源32向调光电路33供电，将电流传输到珀耳帖加热元件30和珀耳帖制冷元件31中，在交流电源32不同的电流下，电加热器件将在不同的温度下进行加热，示例性的，1毫安的电流表示珀耳帖加热元件30上的温度是45摄氏度，珀耳帖制冷元件31中1毫安的电流表示15摄氏度，从而对待测样品35施加一个温度梯度，采用温度传感器34测量该温度梯度。
图6是本发明实施例提供的一种电气连接盒示意图，如图6所示，可选地，样品承载单元还包括电气连接盒18；
电气连接盒18分别与信号传输端子和温度信号传输元件电连接。
电气连接盒通过第一线缆181、第二线缆182和第三线缆183采集电流、电压等电气数据，并通过第一线缆181、第二线缆182和第三线缆183控制电流来控制温度信号传输单元中的温度梯度。由于所测量的是微米甚至是纳米级的材料，所以不能使得温度过高，通过电气连接盒，控制电流的大小从而有效的控制加载在待测材料上的温度梯度，降低了因温度过高而损坏样品的可能性，并且也避免了产生不必要的电流和电压，对测量系统的精确性造成影响。
下面提供一种测量待测样品的实验来具体说明本发明实施例的优势，示例性的，图7是本发明实施例提供的一种平面内测量待测样品的检测连接图，如图7所示，展示了一种用于在平面内测量待测样品的测试方式，该样品载体具有20个针脚，图中待测样品40贴在样品载体41上，通过样品架42和支撑杆43固定，由于待测样品与样品载体处于同一平面，所以可以通过样品载体41上的温度信号传输元件提供温度梯度，再通过外部施加磁场，对待测样品进行测量。图8是本发明实施例提供的一种平面外测量待测样品的检测连接图，如图8所示，展示了一种平面外测量待测样品的测试方式，在待测样品40上安装加热元件44和制冷元件45，通过加热元件44和制冷元件45位待测样品提供温度梯度，再由外部施加磁场进行待测样品测量。
被测样品或装置可以有不同的形状、图案和针，相应的，样品载体就会有不同的形状、图案和针脚。图9是本发明实施例提供的另一种平面内测量待测样品的检测连接图，展示了另一种用于在平面内测量待测样品的测试方式，该样品载体具有16个针脚，测量方式与上述方式相同。图10是本发明实施例提供的另一种平面外测量待测样品的检测连接图，展示了另一种平面外测量待测样品的测试方式，该样品载体具有16个针脚，测量方式与上述方式相同。当待测样品粘贴样品载体的表面上时。样品表面的连接端子将与样品载体上的连接端子相连。因此将对待测样品进行电流、电压等电气参数测量。并通过计算得到SC、ANE以及AHE的测量结果。图11是本发明实施例提供的又一种样品载体示意图，如图11所示，展示了一种圆形的样品载体，将待测样品粘贴在样品粘贴区51处，防止待测样品在检测过程中脱落，通果加热元件53和冷却元件53位待测样品提供温度梯度，在检测过程中，采集的温度梯度数据以及电气数据通过连接端子53传输给电气连接盒，对于SC，电压是温度的函数，采集温度变化梯度以及电压变化就可以根据sc＝-Δv/Δt的关系，计算SC的值。对于ANE，电压是磁场和样品温度的交叉积的函数，采集温度梯度和磁场的交叉积以及电压值就可以根据-NANE＝VANE/ΔT的关系。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种热电材料性能测量系统，其特征在于，包括：样品承载单元、磁场控制单元、温度控制单元、马达控制单元和信号处理单元，所述样品承载单元分别与所述温度控制单元、所述马达控制单元和所述信号处理单元连接；
所述样品承载单元包括样品载体以及信号传输端子；所述样品载体用于承载待测样品，且所述样品载体表面设置有多个信号端子，多个所述信号端子包括沿第一方向排列的多个第一信号端子和沿第二方向排列的多个第二信号端子，所述第一方向与所述第二方向垂直；
所述样品承载单元还包括温度信号传输元件，所述温度信号传输元件与所述温度控制单元连接，用于向所述待测样品传输温度信号；所述温度信号传输元件至少包括第一温度信号传输元件和第二温度信号传输元件，所述第一温度信号传输元件与所述第二温度信号传输元件传输的温度不同。
2.根据权利要求1所述的热电材料性能测量系统，其特征在于，所述热电材料性能测量系统还包括温度-电流测试单元；
所述温度-电流测试单元用于确实待测样品中温度梯度与电流的对应关系。
3.根据权利要求2所述的热电材料性能测量系统，其特征在于，所述温度-电流测试单元包括独立设置的第一温度-电流测试分部和第二温度-电流测试分部，所述第一温度-电流测试分部和所述第二温度-电流测试分部均包括支撑载台、温度传感器以及温度传感器调节元件，所述温度传感器调节元件与所述温度传感器连接，且所述温度传感器调节元件与所述温度传感器均设置于所述支撑载台上；
所述温度传感器调节元件包括第一调节旋钮和第二调节旋钮，所述第一调节旋钮和第二调节旋钮用于调节所述温度传感器在所述待测样品所在平面移动。
4.根据权利要求1所述的热电材料性能测量系统，其特征在于，所述样品承载单元还包括样品支架、支撑杆、固定杆和机械支架；
所述样品支架用于支撑所述样品载体，且所述信号传输端子与所述样品支架固定连接；
所述支撑杆用于支撑所述样品支架；
所述固定杆设置于所述支撑杆远离所述样品支架的一侧，且所述固定杆与所述机械支架连接；
所述机械支架与所述马达控制单元连接，用于跟随所述马达控制单元转动，并带动所述固定杆、所述支撑杆、所述样品支架以及所述样品载体转动。
5.根据权利要求4所述的热电材料性能测量系统，其特征在于，所述固定杆外表面设置有螺纹；
所述机械支架包括多个连接孔，所述连接孔的内表面设置有螺纹；
所述固定杆与所述机械支架螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的热电材料性能测量系统，其特征在于，所述热电材料性能测量系统还包括屏蔽单元，所述屏蔽单元包围所述样品承载单元。
7.根据权利要求6所述的热电材料性能测量系统，其特征在于，所述屏蔽单元内表面设置有噪声屏蔽材料和辐射屏蔽材料。
8.根据权利要求1所述的热电材料性能测量系统，其特征在于，所述磁场控制单元包括第一磁极和第二磁极；
所述样品承载单元设置于所述第一磁极和所述第二磁极之间。
9.根据权利要求1所述的热电材料性能测量系统，其特征在于，所述第一温度信号传输元件包括珀耳帖加热元件，所述第二温度信号传输元件包括珀耳帖制冷元件。
10.根据权利要求1所述的热电材料性能测量系统，其特征在于，所述样品承载单元还包括电气连接盒；
所述电气连接盒分别与所述信号传输端子和所述温度信号传输元件电连接。
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