热电材料塞贝克系数和电导率的水平式测试设备和方法与流程

1.本发明属于材料热电性能测试领域，具体涉及一种热电材料塞贝克系数和电导率的水平式测试设备和方法。


背景技术：

2.热电材料是一种可以将温度差转化为电势差的材料，反之亦然。其工作原理基于材料的热电效应：当在材料的两端建立一个温度差时，材料中的载流子会由于导热而从热源(高温端)扩散到热井(低温端)，从而产生一个电势差，并且将热能转化为电能，即为热电发电的原理；相反，当热电材料的两端施加一个电压时，材料的一端会制冷而另一端会发热，从而将电势差转化为温度差，即为热电制冷的原理。热电技术可被用于航天、军事、汽车、电子、生物医学等工业中特定场合的电源和制冷器。比如热电发电技术可以代替太阳能电池为外太空探测器提供电能。热电器件也可以作为原子电池用于小型或大型的废热(例如人体体温、发动机废热和工业废热等)回收。热电制冷技术也可被应用于便携式冰箱等民用领域。
3.塞贝克系数(seebeck)是热电材料的重要物理参数之一。目前已有的塞贝克系数测试设备，通常是单独针对块体或者薄膜热电材料。而且块体塞贝克系数测试仪器的样品台通常是立式的，这种设计在放置样品的时候不方便操作。另外，目前已有的薄膜测试设备采用了无接触的激光照射的加热方式，由于激光本身对材料的物理性质会产生一定的影响，所以在测试对光敏感或不同反射率的材料时容易产生误差。另外现有的塞贝克系数测试设备通常只能针对常温以上的温度范围的塞贝克系数进行测试。同时电导率是热电材料另一个重要的物理参数，然而现有技术未能实现同时测试高温和低温下的热电材料的电导率。


技术实现要素：

4.本发明提供一种塞贝克系数测试设备，所述设备包括第一测试单元和第二测试单元，第一测试单元和第二测试单元并联；
5.每个测试单元均包括加热块、加热元件、温度传感器、温度测量探针、电流测试探针、电压测试探针和冷却系统；
6.每个测试单元中的冷却系统与其中的加热块接触，用于冷却加热块。
7.根据本发明的实施方案，所述第一测试单元包括第一加热块、第一加热元件、第一温度传感器、第一温度测量探针、第一电压测试探针和第一冷却系统。
8.根据本发明的实施方案，所述第二测试单元包括第二加热块、第二加热元件、第二温度传感器、第二温度测量探针、第二电压测试探针和第二冷却系统。
9.根据本发明的实施方案，所述第一加热块和第二加热块共同用于承载待测样品；优选地，第一加热块和第二加热块之间的距离能够根据待测样品的尺寸进行调节。对加热块的形状无具体限制，其形状优选便于待测样品测试。进一步地，所述第一加热块和第二加
热块的形状相同或不同，优选相同，例如均为矩形体。
10.根据本发明的实施方案，所述第一加热块和第二加热块呈水平并列放置。
11.根据本发明的实施方案，所述第一加热块和第二加热块的材质可以为a5052铝合金、304不锈钢或黄铜等。
12.根据本发明的实施方案，所述第一加热块和第二加热块的表面可以设置凹槽，位于两个加热块上的凹槽呈对称设置，共同用于承载块状待测样品。进一步地，凹槽的形状不作具体限定，以能够完全承载待测样品为佳，例如可以为矩形槽。
13.根据本发明的实施方案，所述待测样品的一端与第一加热块接触，另一端与第二加热块接触，第一加热块与第二加热块的温度不相等。当第一加热块温度t1小于第二加热块温度t2时，与第一加热块接触的待测样品端记为冷端，与第二加热块接触的待测样品端记为热端。
14.根据本发明的实施方案，所述凹槽表面为绝缘表面，使待测样品和两个加热块之间导热，但不导电。
15.根据本发明的实施方案，所述测试设备还包括电压数据采集器，所述第一电压测试探针和第二电压测试探针分别与电压数据采集器连接。例如，所述电压数据采集器为本领域已知仪器，比如为电压表。
16.根据本发明的实施方案，所述第一电压测试探针和第二电压测试探针设置在加热块的上方，两个电压测试探针能够与待测样品之间形成欧姆接触，用来测试待测样品两端的电压。优选地，两个电压测试探针保持一定距离，例如，两个电压测试探针的距离明显大于第一温度测试探针与第一电压测试探针之间的距离，和/或明显大于第二温度测试探针与第二电压测试探针之间的距离。测试得到的电压数据由电压数据采集器采集，传输至计算机。
17.根据本发明的实施方案，所述测试设备还包括温度采集模块，所述第一温度测量探针和第二温度测量探针分别与温度数据采集模块连接。
18.根据本发明的实施方案，所述第一温度测量探针和第二温度测量探针分别与待测样品的两端接触，分别测试待测样品两端的表面温度。例如，当第一加热块温度t1小于第二加热块温度t2时，第一温度测量探针与待测样品的冷端接触，第二温度测量探针与待测样品的热端接触。
19.根据本发明的实施方案，两个温度测试探针均位于加热块的上方。进一步地，所述第一温度测试探针与第一电压测试探针靠近但是不接触，所述第二温度测试探针与第二电压测试探针靠近但是不接触。由温度数据采集模块采集两个温度测试探针的数据，将采集到的温度数据传输到计算机。
20.根据本发明的实施方案，所述第一电压测试探针、第二电压测试探针、第一温度测量探针和/或第二温度测量探针可以通过支架固定。
21.根据本发明的实施方案，所述第一加热元件用于加热第一加热块，所述第二加热元件用于加热第二加热块。其中，加热元件可以选自加热棒、板式加热器、黏贴式加热器或本领域其他形式的加热元件。根据加热元件的不同选择，加热元件可以设置在加热块的内部或者外部。例如，当所述加热元件为加热棒时，第一加热棒设置在第一加热块的内部，第二加热棒设置在第二加热块的内部。
22.根据本发明的实施方案，所述第一温度传感器设置在第一加热块的内部，所述第二温度传感器设置在第二加热块的内部。所述第一温度传感器和第二温度传感器分别实时监控第一加热块和第二加热块的温度。
23.根据本发明的实施方案，所述测试设备还包括温度控制器(例如pid温度控制器)，第一温度传感器和第二温度传感器将其监测的加热块的温度分别反馈给温度控制器，温度控制器通过pid运算逻辑和信号反馈来使第一加热块和第二加热块分别达到各自的设定温度。
24.根据本发明的实施方案，所述测试装置还包括压力传感器，所述压力传感器设置在凹槽的一端，用来检测和控制待测样品与加热块之间的压力，以保证待测样品与电压/电流测试探针之间保持良好的欧姆接触。其中，所述压力的获得可以通过能够实现螺纹旋转加压、计算机自动控制的液压或者气压的部件来实现。
25.根据本发明的实施方案，所述测试单元还包括电流测试探针；优选地，所述第一测试单元包括第一电流测试探针，所述第二测试单元包括第二电流测试探针。优选地，所述第一电流测试探针和第二电流测试探针均设置在加热块待测样品放置位置的上方，用于测试待测样品两端的电流。
26.根据本发明的实施方案，所述电流测试探针包括导电针体和任选与导电针体连接的电极片。当所述电流测试探针为导电针体时，主要用于测试薄膜样品；当所述电流测试探针包括导电针体和与导电针体连接的电极片时，主要用于测试块体样品，通过电极片增加与待测试块体样品之间的接触面积，从而达到更好的接触。
27.根据本发明的一个实施方案，所述第一电流测试探针、第一电压测试探针、第二电压测试探针、第二电流测试探针成一字线性排列，每个探针针尖之间的距离相等。优选地，第一电流测试探针、第一电压测试探针、第二电压测试探针、第二电流测试探针依次成一字线性排列设置在穿过待测样品的几何中心的直线上，所述温度测量探针位于待测样品端侧。例如，每个探针针尖之间的距离以毫米计，比如为1-3mm，示例性为1mm。
28.根据本发明的另一个实施方案，所述第一电压测试探针、第一电流测试探针、第二电压测试探针和第二电流测试探针分别设置在待测样品的四个边角的上方。优选地，两个电压测试探针位于待测样品的同侧，两个电流测试探针位于待测样品的另一同侧，第一电压测试探针与第二电流测试探针呈对角线设置，第二电压测试探针与第一电流测试探针呈对角线设置。
29.根据本发明的实施方案，所述第一冷却系统设置在第一加热块的下方，所述第二冷却系统设置在第二加热块的下方，两个冷却系统分别用来快速冷却与其对应设置的加热块。在样品测试结束之后，通过冷却系统可以将加热块的温度迅速降低到较低的温度，使测试设备可以快速(例如2分钟之内)进入下一个温度点或者下一个样品的测试环节。
30.根据本发明的实施方案，所述第一冷却系统和第二冷却系统可以为水冷、风冷、半导体制冷、干冰和液氮冷却系统中的任意一种。冷却系统的设置可以测试待测样品在低于室温(25℃)条件下的塞贝克系数。进一步地，通过冷却系统的选择，例如工业制冷剂、干冰或液氮的冷却系统，可以将冷却系统的制冷温度调整至-200℃，例如为-30℃或-196℃。
31.根据本发明的实施方案，对第一冷却系统和第二冷却系统的形状不做具体限定，以能够承载所对应的加热块为佳。优选地，冷却系统的形状与加热块形状相同。
32.根据本发明的实施方案，所述测试设备还包括控制端，例如所述控制端为计算机。进一步地，所述温度数据采集模块、电压数据采集器、温度控制器、以及冷却系统分别与所述控制端连接。进一步地，所述连接为本领域已知连接方式，例如电连接。
33.根据本发明的实施方案，所述测试设备还包括密封罩，两个测试单元、或者除两个冷却系统之外的测试单元部分均置于密封罩内。进一步地，所述密封罩上设置气体入口和/或气体出口，用于对密封罩进行抽真空、或者向密封罩内充入氮气、氩气等惰性气体，从而将整个测试设备或者两个测试单元置于气密空间中。例如，所述密封罩可以为手套箱或与其类似的设备。
34.根据本发明的实施方案，所述待测样品的材质为热电材料，例如为无机热电材料bi2te3，sb2te3、pbte的块体和/或薄膜样品；有机热电材料pedot-pss；杂化钙钛矿材料等的块体和/或薄膜样品。
35.本发明还提供所述设备在测试热电材料的塞贝克系数和/或电导率中的应用。优选地，所述热电材料的形态可以为片状(如薄膜状)和/或块状。优选地，所述设备可以测试热电材料在高于室温和低于室温下的塞贝克系数和/或电导率。
36.本发明还提供采用所述设备测试塞贝克系数的方法，包括以下步骤：
37.设定第一加热块温度为t1’
、第二加热块温度为t2’
，且t1’
≠t2’
；将待测样品放置在加热块上，待测样品冷端和热端的温度通过位于其对应位置处的温度测量探针测量得到，探测到的温度记为t1和t2，且t1≠t2；与此同时，待测样品的冷端和热端由于存在温差δt，从而产生电势差δv，通过公式s＝δv/δt计算得到材料的塞贝克系数；
38.所述电势差δv通过第一电压测试探针和第二电压测试探针测试得到。
39.根据本发明的实施方案，t1与t1’
、t2与t2’
分别相同或不同。
40.根据本发明的实施方案，所述方法还包括如下步骤：测试结束后，可以通过开启冷却系统，将第一加热块温度和第二加热块的温度迅速降低，而后重新设定两个加热块的温度，测试下一个温度下的塞贝克系数；或者更换待测样品，测试下一个待测样品的塞贝克系数。
41.根据本发明的实施方案，所述塞贝克系数的测试方法，包括以下步骤：
42.a1)将待测样品置于第一加热块和第二加热块上；优选地，当所述待测样品为薄膜样品时，将薄膜样品直接置于两个加热块上；当所述待测样品为块状样品时，则将块状样品置于加热块的凹槽中，根据块状样品的尺寸适应性调整第一加热块和第二加热块的距离，以确保块状样品完全置于凹槽中；
43.a2)将第一温度测量探针和第一电压测试探针与样品的一端接触；第二温度测量探针和第二电压测试探针与样品的另一端接触；
44.a3)在测试开始前分别设定第一加热块的温度(t1’
)和第二加热块的温度(t2’
)，且t1’
≠t2’
；
45.a4)t1’
和t2’
的温度不同，使样品表面产生一个温度差；待测样品冷端和热端的的温度通过位于其对应位置处的温度测量探针测量得到，探测到的温度记为t1和t2，且t1≠t2；t1和t1’
不一定相同，t2和t2’
不一定相同；
46.a5)与此同时，样品的冷端和热端产生电势差δv，由第一电压测试探针和第二电压测试探针测试得到所述电势差δv；
47.a6)温度t1，t2数据经过温度数据采集模块，电势差δv数据通过电压数据采集器，分别传输给计算机，并且通过公式s＝δv/δt计算得到待测样品在温度t1’
下的塞贝克系数。
48.根据本发明实施方案，所述塞贝克系数的测试方法，还可以包括以下步骤：
49.a7)测试结束之后再分别将t1’
和t2’
设定到其他的温度值从而可以测试样品在不同温度下的塞贝克系数。
50.根据本发明实施方案，所述塞贝克系数的测试方法，还可以包括以下步骤：
51.a8)根据一定温度范围内的δv和δt，可以进行线性拟合，得到的斜率是塞贝克系数平均值。
52.本发明还提供采用所述设备测试电导率的方法，包括如下步骤：由电压测试探针测试待测样品的电压，由电流测试探针测试待测样品的电流，根据线性四探针法或范德堡法(van der pauw method)测试待测样品的电导率。
53.根据本发明的实施方案，所述线性四探针法测试待测样品电导率的方法，包括以下步骤：
54.b1)将待测样品置于第一加热块和第二加热块上；优选地，当所述待测样品为薄膜样品时，将薄膜样品直接置于两个加热块上；当所述待测样品为块状样品时，则将块状样品置于加热块的凹槽中，根据块状样品的尺寸适应性调整第一加热块和第二加热块的距离，以确保块状样品完全置于凹槽中；
55.b2)将第一温度测量探针和第二温度探针分别与待测样品的两端接触，两个电压测试探针和两个电流测试探针分别与待测样品接触；第一电流测试探针、第一电压测试探针、第二电压测试探针、第二电流测试探针成一字线性排列设置在穿过待测样品的几何中心的直线上，温度测量探针位于待测样品端侧，；
56.b3)设定第一加热块和第二加热块的温度均为t。
57.b4)第一电压测试探针和第二电压测试探针用于测试待测样品两端的电压(v1)，而第一电流测试探针的导电针体和第二电流测试探针的导电针体用于测试待测样品两端的电流(i1)。
58.根据本发明的实施方案，当待测样品为薄膜样品时，且薄膜的厚度(例如约10μm)相对于探测针尖之间的距离(例如约1mm)可以忽略不计时，可根据测试得到的v1和i1，结合公式(1)计算得到其在温度t下的电导率；
[0059][0060]
其中，σ
s
代表薄膜样品材料的电导率，δ代表薄膜样品的厚度；
[0061]
根据本发明的实施方案，当待测样品为块体样品时，可根据测试得到的v1和i1，结合公式(2)计算得到其在温度t下的电导率；
[0062][0063]
其中，σ代表块体样品材料的电导率，a代表块体样品的横截面积，l代表块体样品的长度。
[0064]
根据本发明的实施方案，所述范德堡法测试待测样品电导率的方法，包括以下步
骤：
[0065]
c1)将待测样品置于第一加热块和第二加热块上；优选地，当所述待测样品为薄膜样品时，将薄膜样品直接置于两个加热块上；当所述待测样品为块状样品时，则将块状样品置于加热块的凹槽中，根据块状样品的尺寸适应性调整第一加热块和第二加热块的距离，以确保块状样品完全置于凹槽中；
[0066]
c2)将第一温度测量探针和第二温度测量探针分别与待测样品的一端接触，所述第一电压测试探针、第一电流测试探针、第二电压测试探针和第二电流测试探针分别设置在待测样品的四个边角的上方，以a、b、c、d代表四个边角，第一电压测试探针位于边角a，第二电压测试探针位于边角b，第二电流测试探针位于边角c，第一电流测试探针位于边角d，电压测试探针和电流测试探针分别与待测样品接触；
[0067]
c3)设定第一加热块和第二加热块的温度均为t；
[0068]
c4)通过测试探针测试得到r
ba,cd
,r
ab,dc
,r
dc,ab
,r
cd,ba
和r
cb,da
,r
bc,ad
,r
ad,bc
,r
da,cb
；r
ba,cd
表示通过ba两端加电压v
ba
，并且b端是正极的情况下测试得到cd两端的电流i
cd
，通过公式v
ba
/i
cd
得到电阻r
ba,cd
；同理，计算得到r
ab,dc
,r
dc,ab
,r
cd,b
，r
cb,da
,r
bc,ad
,r
ad,bc
,r
da,cb
；
[0069]
按照公式(3)-(6)计算待测样品的电导率；
[0070][0071][0072]
计算得到r
a
和r
b
；再通过公式(5)，计算得到r
s
：
[0073][0074]
再通过公式(6)，计算得到待测样品材料在温度t下的电导率；
[0075][0076]
其中，σ代表待测样品材料的电导率，δ代表待测样品的厚度。
[0077]
有益效果
[0078]
本发明采用横向水平式的加热块(即样品台)的形式，可以使待测样品，尤其是薄膜样品的测试更加简便。
[0079]
设置两个冷却系统，可以测试材料在温度低于室温的塞贝克系数。同时也可使加热块迅速恢复到较低温度，从而可以快速开始测试第二样品或者第二个温度点，提高了多个样品、多个温度点的测试效率。
[0080]
本发明采用了接触式加热待测样品的方式，采用双加热台，可以准确快速地给测试样品提供任意的温度差。两个加热块之间的距离可以调，并且表面有凹槽，可以将块体样品放入凹槽，从而可以同时满足测试块体样品和薄膜样品的目的。
[0081]
热电材料通常具有最佳的使用温度，即在此温度下热电材料具有最佳的能量转换效率。因此需要测试热电材料在不同温度下的塞贝克系数和电导率来判断材料最佳应用温度。当热电材料应用于制冷或者在环境温度低于常温的条件下使用热电发电器时，材料一端的温度处于低于常温的情况，因此测试非室低温下材料的塞贝克系数对热电材料在制冷
领域及非室低温条件下的发电应用至关重要。
[0082]
本仪器将采用线性四探针法和范德堡法来测试材料的电导率，这两种方法可以避免材料与测试探针之间接触电阻，从而提高了电导率测试准确性。而且本设备可以同时测试高温和低温下的电导率。
[0083]
本塞贝克系数测试设备可以同时满足在高于室温和低于室温的条件下对薄膜和块体热电材料的塞贝克系数和电导率的测试，测试精度高、准确度高，可以作为热电材料工业领域与科学研究领域提供方便全面的测试设备。
附图说明
[0084]
图1为实施例1提供的测试设备的立体示意图；
[0085]
图2为实施例1提供的测试设备的俯视图；
[0086]
图3为实施例1提供的测试设备的主视图；
[0087]
图4为实施例1提供的测试设备的爆炸结构示意图；
[0088]
图5为实施例1提供的测试设备测试块体样品时的立体结构示意图；
[0089]
图6为实施例1提供的测试设备测试块体样品时的俯视结构图；
[0090]
图7为实施例1提供的测试设备测试块体样品时的主视结构图；
[0091]
图8为测试块体的第一电流测试探针和测试块体的第二电流测试探针的结构示意图；
[0092]
图9为四探针法测试薄膜材料电导率的立体示意图；
[0093]
图10为四探针法测试块体材料电导率的立体示意图；
[0094]
图11为范德堡法测试材料电导率的立体示意图；
[0095]
图12为图11范德堡法测试材料电导率时，材料四个端点的标记；
[0096]
图13为在5℃下测试的样品的seebeck系数数据图；
[0097]
图14为在25℃下测试的样品的seebeck系数数据图；
[0098]
图15为在60℃下测试的样品的seebeck系数数据图；
[0099]
图16为在-20℃到120℃下测试的样品的seebeck系数；
[0100]
图17为实施例1测试设备与计算机连接框图。
[0101]
附图标记：1-第一冷却系统，2-第一加热棒，3-第一温度传感器，4-第一加热块，5-待测试的薄膜样品，5
’-
待测试的块体样品，6-第一温度测量探针，7-第一电压测试探针，7
’-
第一电流测试探针，7’a-第一电流测试探针的导电针体，7’b-第一电流测试探针的导电片，8-第二电压测试探针，8
’-
第二电流测试探针，8’a-第二电流测试探针的导电针体，8’b-第二电流测试探针的导电片，9-第二温度测量探针，10-第二加热块，11-第二温度传感器，12-第二加热棒，13-第二冷却系统，14-凹槽，15-压力传感器，16-计算机，17-温度数据采集模块，18-电压数据采集器，19-第一温度控制器，20-第二温度控制器。
具体实施方式
[0102]
下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
[0103]
实施例1
[0104]
如图1-4所示的热电材料塞贝克系数的水平式测试设备，其适用于热电薄膜材料的测试。测试设备包括并联的第一测试单元和第二测试单元。
[0105]
第一测试单元包括第一冷却系统1，第一加热棒2，第一温度传感器3，第一加热块4，第一温度测量探针6，第一电压测试探针7，和第二电压测试探针8。
[0106]
第二测试单元包括第二冷却系统13，第二加热棒12，第二温度传感器11，第二加热块10，第二温度测量探针9，第二电压测试探针8。第一加热块4与第二加热块10水平并列放置，第一加热块4与第二加热块10共同承载待测试的薄膜样品5，即第一加热块4和第二加热块10同时也是样品台，并且第一加热块4和第二加热块10可以移动也可以固定，从而根据薄膜样品的尺寸调整第一加热块4和第二加热块10之间的距离。
[0107]
薄膜待测样品的一端与第一加热块4接触，另一端与第二加热块10接触。第一加热块4的温度设置为t1’
和第二加热块10的温度设置为t2’
(温度t2’
与t1’
不同，以温度t2’
高于t1’
为例作为说明)，待测样品在第一加热块4上的部分叫冷端，样品在第二加热块10上的部分叫热端。
[0108]
该测试设备还包括电压数据采集器18，第一电压测试探针7、第二电压测试探针8都与电压数据采集器18相连接，两个电压测试探针与待测试的薄膜样品5之间形成欧姆接触来测试材料两端的电压，两个电压测试探针均位于两个加热块的上方，两个电压测试探针靠近但不接触，测试得到的电压数据由电压数据采集器18采集，传输至计算机。
[0109]
该测试设备还包括温度数据采集模块17，第一温度测量探针6和第二温度测量探针9分别与温度数据采集模块17相连接。第一温度测量探针6和第二温度测量探针9分别与材料冷端和热端接触，测试材料表面的温度，两个温度测试探针均位于两个加热块的上方，第一温度测试探针6与第一电压测试探针7靠近，第二温度测试探针9与第二电压测试探针8靠近。由温度数据采集模块采集两个温度测试探针的数据，将采集到的温度数据传输到计算机。
[0110]
第一加热棒2和第一温度传感器3均嵌入在第一加热块4的内部，第一温度传感器3靠近第一加热棒2。第二加热棒12和第二温度传感器11均嵌入在第二加热块10的内部，第二温度传感器11靠近第二加热棒12。第一温度传感器3和第二温度传感器11实时监控第一加热块4和第二加热块10的温度，并且将温度分别反馈给第一温度控制器19和第二温度控制器20，使温度控制器通过pid运算逻辑和信号反馈来使第一加热块和第二加热块分别达到各自的设定温度。
[0111]
第一加热块4的下方设置第一冷却系统1，第二加热块10的下方设置第二冷却系统13，两个冷却系统分别用来快速冷却加热块的温度。在样品测试结束之后，通过冷却系统将加热块的温度迅速降低到较低的温度，使测试设备在2分钟之内进入下一个温度或者待测样品的测试环节。冷却系统为水冷、风冷、半导体制冷、干冰或液氮冷却。由于有冷却系统，能够使第一加热块和第二加热块的温度低于室温(25℃)，从而测试材料在低于室温的条件下的塞贝克系数。
[0112]
另外，第一加热块4和第二加热块10的表面同时设置凹槽14，位于两个加热块上的凹槽呈对称设置，共同用于承载待测试的块体样品5’。凹槽14的表面经过绝缘处理，因此待测试的块体样品5’和加热块之间可以导热，但是不可以导电。图5-7为承载待测试的块体样
品的测试设备结构示意图。
[0113]
如图17所示，温度数据采集模块17、电压数据采集器18、第一温度控制器19、第二温度控制器20以及冷却系统分别与计算机16连接。
[0114]
实施例2
[0115]
如图9-11所示的同时测试塞贝克系数和电导率的测试设备，除含有实施例1设备的各部件外，第一测试单元还包括第一电流测试探针的导电针体7’a，第二测试单元还包括第二电流测试探针的导电针体8’a。
[0116]
图9为四探针法测试薄膜材料电导率的立体示意图，图10为四探针法测试块体材料电导率的立体示意图。图9中，第一电流测试探针的导电针体7’a、第一电压测试探针7、第二电压测试探针8、第二电流测试探针的导电针体8’a依次成一字线性排列设置在穿过待测样品的几何中心的直线上，第一温度测量探针6和第二温度测量探针9位于待测样品端侧。第一电流测试探针的导电针体7’a、第一电压测试探针7、第二电压测试探针8、第二电流测试探针的导电针体8’a各探针针尖之间等距，间隔距离为1mm。
[0117]
图10中，所用的电流测试探针与图9不同，测试块体材料时使用第一电流测试探针7’和第二电流测试探针8’。
[0118]
另外凹槽14的一端设置压力传感器15(图10)，此压力传感器用来检测和控制块体材料与加热块之间的压力，以保证待测试的块体样品5’与第二电流测试探针8’之间保持良好的欧姆接触。通过螺纹旋转加压，计算机自动控制的液压或者气压加压。
[0119]
图11为范德堡法测试材料电导率的立体示意图；图12为范德堡法测试材料电导率时，材料四个端点的标记。第一电压测试探针7、第一电流测试探针的导电针体7’a、第二电压测试探针8和第二电流测试探针的导电针体8’a分别设置在待测样品的四个边角的上方，以a、b、c、d代表四个边角，第一电压测试探针7位于边角a，第二电压测试探针8位于边角b，第二电流测试探针的导电针体8’a位于边角c，第一电流测试探针的导电针体7’a位于边角d。
[0120]
如图8所示，电流测试探针由两部分组成：导电针体和与导电针体连接的电极片。具体地，第一电流测试探针7’由第一电流测试探针的导电针体7’a和第一电流测试探针的电极片7’b组成。第二电流测试探针的导电针体8’a和第二电流测试探针的电极片8’b组成。通过电极片增加与块体样品之间的接触面积，从而达到更好地接触。当探针不与电极片相连接时，导电针体可以单独使用，作为薄膜样品电导率测试时的电流测试探针。
[0121]
实施例3：多晶n型bi2te3薄膜的seebeck系数测试
[0122]
使用实施例1提供的测试设备，对多晶n型bi2te3薄膜的seebeck系数进行测试：
[0123]
a1)将多晶n型bi2te3薄膜置于第一加热块和第二加热块上，根据薄膜样品的尺寸适应性调整第一加热块和第二加热块的距离，以确保样品完全置于加热块表面上；
[0124]
a2)将第一温度测量探针和第一电压测试探针与薄膜样品的一端接触，且探针之间距离小于1mm；第二温度测量探针和第二电压测试探针与薄膜样品的另一端接触且探针之间距离小于1mm。
[0125]
a3)在测试开始前分别设定第一加热块的温度(t1’
)和第二加热块的温度(t2’
)，且t1’
≠t2’
；
[0126]
a4)t1’
和t2’
的温度不同，从而使样品表面产生一个温度差；待测样品冷端和热端
的的温度通过位于其对应位置处的温度测量探针测量得到，探测到的温度记为t1和t2，且t1≠t2；t1和t1’
不一定相同，t2和t2’
不一定相同；
[0127]
a5)与此同时，样品的低温端和高温端产生了一个电势差δv，由第一电压测试探针和第二电压测试探针测试得到所述电势差δv；
[0128]
a6)温度t1，t2数据经过温度数据采集模块，电势差δv数据通过电压数据采集器，分别传输给计算机，并且通过公式s＝δv/δt计算得到薄膜样品在温度t1’
下的塞贝克系数。
[0129]
a7)测试结束之后再分别将t1’
和t2’
设定到别的温度从而测试薄膜样品在不同温度下的塞贝克系数。
[0130]
a8)根据一定温度范围内的δv和δt，可以进行线性拟合，得到的斜率是塞贝克系数平均值。
[0131]
比如，在测试开始前分别设定第一加热块的温度(t1’
＝25℃)和第二加热块的温度(t2’
＝35℃)，样品表面的温度通过第一温度测量探针(t1＝23.8℃)和第二温度测量探针(t2＝33.4℃)测量得到。与此同时，样品的低温端和高温端产生了一个电势差δv，此电势差由电压表通过第一电压测试探针7和第二电压测试探针8测试得到。温度数据t1，t2和电势差数据δv＝0.0016v传输给计算机，并且通过公式s＝δv/δt计算得到该材料在25℃的塞贝克系数。
[0132]
如图13所示，在5℃时多晶n型bi2te3薄膜的seebeck系数测试图，测试得到seebeck系数值为-144.6μv/k，线性拟合的r2＝0.99431。如图14所示，在25℃时多晶n型bi2te3的seebeck系数测试图，测试得到seebeck系数值为-134.3μv/k，线性拟合的r2＝0.99555。如图15所示，在60℃时多晶n型bi2te3的seebeck系数测试图，测试得到seebeck系数值为-134.9μv/k，线性拟合的r2＝0.99553。图16所示为-20℃到120℃测试多晶n型bi2te3得到的塞贝克系数，具体数据列于表1。根据表1，本仪器在同一温度下测试同一个样品的塞贝克系数的误差小于2μv/k。
[0133]
表1
[0134][0135]
同理，本实施例的测试方法也适用于块状待测样品。
[0136]
实施例4：热电材料的电导率测试
[0137]
(一)线性四探针法进行电导率测试方法：
[0138]
使用图9-10所示的测试设备，具体测试过程如下：
[0139]
b1)将待测样品置于第一加热块和第二加热块上；当待测样品为薄膜样品时，将薄膜样品直接置于两个加热块上；当待测样品为块状样品时，则将块状样品置于加热块的凹槽中，根据块状样品的尺寸适应性调整第一加热块和第二加热块的距离，以确保块状样品完全置于凹槽中；
[0140]
b2)第一电压测试探针和第二电压测试探针用于测试待测样品两端的电压(v1)，
而第一电流测试探针的导电针体和第二电流测试探针的导电针体用于测试薄膜或块体两端的电流(i1)。而且测量过程中第一电流测试探针、第一电压测试探针、第二电压测试探针、第二电流测试探针成一字线性排列设置在穿过待测样品的几何中心的直线上，相邻探针之间的距离相等。温度测量探针位于待测样品端侧。
[0141]
b3)设定第一加热块和第二加热块的温度均为t。
[0142]
当薄膜的厚度(约10μm)相对于针尖之间的距离(约1mm)忽略不计时，材料的电导率由以下公式计算得到：
[0143]
(1)
[0144]
其中σ
s
是薄膜的电导率，δ是薄膜的厚度。
[0145]
测试的样品是块体样品时，则电导率通过以下公式计算得到：
[0146]
(2)
[0147]
其中σ是块体的电导率，a是块体材料的横截面积，l是块体样品的长度。
[0148]
(二)范德堡法(van der pauw method)测试薄膜和块体的电导率方法：
[0149]
使用图11-12所示的测试设备，具体测试过程如下：
[0150]
c1)将待测样品置于第一加热块和第二加热块上；当待测样品为薄膜样品时，将薄膜样品直接置于两个加热块上；当待测样品为块状样品时，则将块状样品置于加热块的凹槽中，根据块状样品的尺寸适应性调整第一加热块和第二加热块的距离，以确保块状样品完全置于凹槽中；
[0151]
c2)将第一温度测量探针和第二温度测量探针分别与待测样品的一端接触，
[0152]
第一电压测试探针、第二电压测试探针、第一电流测试探针的导电针体和第二电流测试探针的导电针体同时放置于样品的四个角，并且分别在样品上被标记为a，b，c，d四个角，如图12所示。
[0153]
c3)设定第一加热块和第二加热块的温度均为t；
[0154]
c4)通过测试探针分别测试得到r
ba,cd
,r
ab,dc
,r
dc,ab
,r
cd,ba
和r
cb,da
,r
bc,ad
,r
ad,bc
,r
da,cb
。r
ba,cd
表示通过ba两端加电压v
ba
，并且b端是正极的情况下测试得到cd两端的电流i
cd
，通过公式v
ba
/i
cd
得到电阻r
ba,cd
。r
ab,dc
,r
dc,ab
,r
cd,b
，r
cb,da
,r
bc,ad
,r
ad,bc
,r
da,cb
的计算方法同理。接着通过公式
[0155]
(3)
[0156]
(4)
[0157]
计算得到r
a
和r
b
。再通过求解以下方程：
[0158]
(5)
[0159]
计算得到r
s
。再通过公式
[0160]
(6)
[0161]
计算得到材料的电导率。其中σ是电导率，δ是样品的厚度。
[0162]
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。