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熱電材料優(yōu)值測(cè)量好幫手-LSR塞貝克電阻率儀

更新時(shí)間:2025-03-12點(diǎn)擊次數(shù):5537
  1821年,德國科學(xué)家塞貝克(Seebeck) 將兩種不同的金屬導(dǎo)線連接在一起構(gòu)成一個(gè)電流回路,并在兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處保持不同的溫度,結(jié)果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線周圍的指南針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。因此,這種由于溫差產(chǎn)生電勢(shì)的效應(yīng)被稱為塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)。而導(dǎo)線兩端的電壓差與溫度差的比值,就稱為塞貝克系數(shù)。
 
  1834年,法國科學(xué)家帕爾貼(Peltier)發(fā)現(xiàn)了塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。他將兩種金屬導(dǎo)線連接在一起并通以電流,結(jié)果發(fā)現(xiàn)接頭處的水結(jié)成了冰,這種現(xiàn)象為珀?duì)柼?yīng)。
 
  1856年,英國物理學(xué)家湯姆遜發(fā)現(xiàn)如果在有溫度梯度的均勻?qū)w中通過電流時(shí),導(dǎo)體中除了產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外,還要吸收或放出一定的熱量, 這一現(xiàn)象定名為湯姆遜效應(yīng)。
 
  那么,為什么會(huì)有這種熱電現(xiàn)象呢?上圖是半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)(圖左)和珀?duì)柼?yīng)(圖右)的示意圖。
 
  當(dāng)對(duì)半導(dǎo)體兩端造成溫差時(shí),熱端載流子(電子或者空穴)具有比冷端附近載流子更高的動(dòng)能,而且熱端受激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶或價(jià)帶的載流子也會(huì)更多,從而造成了載流子從熱端向冷端擴(kuò)散。而載流子的聚集會(huì)形成電場(chǎng),從而阻礙擴(kuò)散。當(dāng)達(dá)到一個(gè)平衡時(shí),載流子不再擴(kuò)散,半導(dǎo)體兩端產(chǎn)生出一個(gè)電動(dòng)勢(shì)。這就是溫差發(fā)電。那么它的逆過程又是如何呢?不同的半導(dǎo)體中載流子的勢(shì)能不同,因此在異種材料的結(jié)合處與晶格發(fā)生能量交換,在宏觀上就產(chǎn)生界面附近的吸熱或放熱現(xiàn)象。
 
  看到這里,相信很多人會(huì)想到熱電材料可以用來發(fā)電或者制冷。
 
  熱電材料溫差發(fā)電技術(shù)zui早開始于20世紀(jì)40年代。相比于其他發(fā)電技術(shù),溫差發(fā)電有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、無運(yùn)動(dòng)部件、無噪聲、 使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),在航天、航空、軍事等領(lǐng)域得到應(yīng)有。隨著技術(shù)發(fā)展,溫差發(fā)電在利用太陽能、地?zé)崮?、工業(yè)廢熱、汽車尾氣廢熱、人體熱方面也有應(yīng)用。
 
  而熱電制冷主要應(yīng)用有民用領(lǐng)域的車載冰箱、除濕器、小型飲料機(jī)、車用冷杯、冷帽、汽車座椅、化妝品存儲(chǔ)箱等,以及電子領(lǐng)域的CPU測(cè)試平臺(tái)、冷風(fēng)裝置、冷卻板、大功率LED散熱器、投影儀制冷等。
 
  同樣是溫差發(fā)電或者電致冷,哪種材料的效果更好?德國科學(xué)家艾特克西(Altenkirch)指出,一種良好的熱電材料必須具備較大的塞貝克系數(shù)、較高的電導(dǎo)率、較低的熱導(dǎo)率。因此材料的熱電性能就可以用一個(gè)統(tǒng)一的ZT值來表示。ZT值越高,材料的zui大轉(zhuǎn)換效率越高。一般而言,ZT值大于1,方有實(shí)用價(jià)值。
 
  熱電優(yōu)值難以獲得突破的關(guān)鍵因素在于決定ZT值的三個(gè)參數(shù)(電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)和熱導(dǎo) 率)之間的相互關(guān)聯(lián),很難通過獨(dú)立調(diào)控某個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)ZT值的大幅提升。增加載流子濃度會(huì)提高電導(dǎo)率,但同時(shí)會(huì)減小塞貝克系數(shù)并增大載流子熱導(dǎo)率。增大載流子有效質(zhì)量則提高了塞貝克系數(shù),但理論上對(duì)遷移率有著不利影響。
 
  目前,已發(fā)現(xiàn)ZT值大于2的熱電材料,但仍然還需要更進(jìn)一步的提高。
 
  為了得到合適的材料,了解用來描述這種效率(如ZT 值,優(yōu)值系數(shù)圖)的材料的相關(guān)熱物理性質(zhì)是很重要的。如以下方程所示:
 
·         S = 塞貝克系數(shù)(反映材料的熱電勢(shì))[mV/K]
 
  ·         σ = 材料的電導(dǎo)率 [1/m]
 
  ·         λ = 材料總的熱導(dǎo)率 [W/(m·K)]
 
  ·         T = 溫度
 
  一個(gè)有效的熱電材料,應(yīng)該具有較高的電導(dǎo)率,較大的塞貝克系數(shù)和較低的導(dǎo)熱系數(shù)。一種材料在熱電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域能夠被應(yīng)用到何種程度,很大程度上取決于該材料的性能。
 
  針對(duì)這些需求, 下面介紹的就是可以同步測(cè)定塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率的儀器產(chǎn)品:塞貝克/電導(dǎo)率儀
 
  塞貝克系數(shù)測(cè)試原理:
 
  賽貝克系數(shù)即A、B兩個(gè)熱電偶的電勢(shì)差除以溫度T1和T2的差。棱柱或圓柱形樣品垂直放在上下電極之間。爐體加熱到設(shè)定溫度,下電極處加熱使樣品形成需要的溫度梯度。
 
電阻率測(cè)試原理
 
  電阻應(yīng)用四端法測(cè)得,可以通過測(cè)量通入的恒定電流值I以及探針A和B之間的電壓V得到。
 
  R = V/I
 
  樣品的電阻率可以通過樣品的截面積,探針A,B之間的距離推導(dǎo)得到。
 
  電阻率= 電阻“R” × (截面積/探針間距)
 
(BiSb)2Te3合金材料
 

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