一种二维材料的热、电物理性能综合测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种二维材料的热、电物理性能综合测量装置及方法，属于纳米材料热电性能测试技术领域。本发明专利技术装置使一个矩形二维材料两端搭接于两根金属线A、B上，使中间部位悬空，形成H形结构，利用该H形结构，测量二维材料的电导率、热导率和塞贝克系数。利用本发明专利技术装置，不需要已知二维材料的激光吸收率，可以通过光、电综合测量方法同时获得，且测量的二维材料电导率、热导率和塞贝克系数的准确性好、灵敏度高。本方法对二维材料的厚度宽度等没有任何要求，适用于任何类型的二维材料，适用范围广。本方法可以实现对二维材料的热电性能表征，对开发新型热电材料提供可靠的物性数据支持。

【技术实现步骤摘要】
一种二维材料的热、电物理性能综合测量装置及方法
本专利技术涉及一种二维材料的热、电物理性能综合测量装置及方法，尤其涉及一种H形法同时测量二维材料的电导率、热导率和塞贝克系数的测量方法，属于纳米材料热电性能测试

技术介绍
全球对清洁能源的需求迅速增长，导致人们对热电材料产生了浓厚兴趣，这种材料可以在不使用热机或任何活动部件的情况下将热能转化为电能。然而，由于热电材料的能量转换效率较低，其应用仍然十分有限。衡量热电材料热电性能的一个关键参数是热电材料的优值系数ZT＝S2Tσ/λ，其中，S是塞贝克系数、T为温度、σ为电导率、λ为热导率。但是目前对于纳米材料尤其是二维材料热电性能的表征还存在很多问题。大多数方法都是单独测量材料的电导率、热导率和塞贝克系数，过程繁琐，由于纳米材料因结构和加工条件不同而具有显著的个体差异，单独测量不同样品的热电性能容易引起较大的测量误差。目前比较常见的测量纳米材料热导率的方法有悬浮微器件法，3ω法，T形法等，对于塞贝克系数的测量有哈曼法等，其中：悬浮微器件法(ShiL.etal.JournalofHeatTransfer-TransactionsoftheASME2003,125(5):881-888)是指将二维材料搭接在两个微米尺寸的悬浮微加热器之间，通过测量微加热器的电阻就可以获得其平均温度，在两个加热器之间建立温差，导致热流通过中间的纳米材料。测量悬浮微器件的电功率和温差即可计算得到纳米材料的热导率。然而由于微加热器的面积远大于待测纳米材料样品，导致加热器表面温度分布不均匀并且产生加大的热辐射影响，从而可能引起较大的测量误差。3ω法(LuL.etal..ReviewofScientificInstruments,2001,72(7):2996-3003),在待测纳米材料两边搭接微米宽度的铂金线作为温度传感器，给传感器通入频率为1ω的交流电，会产生2ω频率的温升,因为铂金线在一定范围内，温度和电阻为线性关系，因此其电阻频率为2ω变化的，乘以1ω的输入电流将产生的电压信号，结合交流加热的瞬态导热模型可以计算得到材料的热导率。但是3ω交直流测量系统和数据处理都比较复杂，对纳米材料施加交流电加热容易破坏纳米样品；T形法(ZhangX.etal.HighTemperatures-HighPressures,2000,32:493-500),将待测样品一端搭接在金属线上，另一端搭接在热沉上，形成T形结构，测量时给金属线通电加热，测量金属线的电阻对应推算出平均温度，和没有搭接测量样品时的温度相比较可以求出热导率。但是目前T形法只能测量纳米材料的电导率和热导率，难以同时获得样品的塞贝克系数。目前所用的测量塞贝克系数的方法有哈曼法。哈曼法(HarmanTC.etal.JournalofAppliedPhysics,1958,29(9):1373-1374),哈曼测量方法是指直流电流纵向通过热电材料的均质棒时，热量可以通过帕尔贴效应在引线和热电材料之间的界面处进行传导，在稳态绝热条件下，在稳态情况下，帕尔贴效应传递的热量等于热传导传递的热量。由此可以计算得到热电材料的塞贝克系数，但是金属线会带来导热的热量损失，并且辐射和对流也会有影响，造成一定的测量误差。另外哈曼法难以在纳米材料样品上实现。实验测量结果有较大误差。综上所述，悬浮微器件法的温度分布不均匀性以及热辐射影响可能给测量结果带来较大误差；3ω交直流测量系统和数据处理比较复杂，容易破坏纳米样品；T形法难以同时测量二维纳米材料的塞贝克系数；哈曼法测量塞贝克系数由于金属线热损失以及辐射和对流的影响存在较大误差。并且目前大多数方法都不能同时测量同一个二微纳米材料的电导率、热导率和塞贝克系数，需要开发一种可以同时准确测量同一个二维纳米材料电导率、热导率和塞贝克系数的有效方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是一种二维材料的热、电物理性能综合测量方法及其装置，提出同时测量二维材料电导率、热导率和塞贝克系数综合H形方法。该方法可以解决无法同时测量同一个二维纳米材料的电导率、热导率和塞贝克系数的难题，实现对二维材料的热电性能表征，对开发新型热电材料提供可靠的物性数据支持。本专利技术提出的二维材料的热、电多物性综合测量装置，包括一个导热基底、第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第一金属线、第二金属线和金属薄膜；所述的导热基底上加工有凹槽，凹槽的形状为左右对称的两条纵向凹槽及使两条纵向凹槽相连的中间横向凹槽，凹槽将导热基底分成左右对称的两个区域和中间的上下两个区域，在导热基底的左右对称的两个区域的上下区域分别设置所述的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，在导热基底的中间上下两个区域分别沉积所述的金属薄膜，在导热基底的中部分别设置所述的第一金属线和第二金属线，使第一金属线的两端分别与第二电极和第三电极相连，使第二金属线的两端分别与第一电极和第四电极相连，二维材料的两边分别搭接在第一金属线和第二金属线上，二维材料与第一金属线第二金属线形成一个H形结构。本专利技术提出的二维材料的热、电多物性综合测量方法，当该方法用于测量二维材料的电导率时，该方法包括以下步骤：(1)建立一个如权利要求1所述的测量装置，在一个导热基底加工出凹槽，凹槽的形状为左右对称的两条纵向凹槽及使两条纵向凹槽相连的中间横向凹槽，凹槽将导热基底分成左右对称的两个区域和中间的上下两个区域，在导热基底的左右对称的两个区域的上下区域分别设置第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，在导热基底的中间上下两个区域分别沉积有金属薄膜，在导热基底1的中部分别设置第一金属线和第二金属线，使第一金属线的两端分别与第二电极和第三电极相连，使第二金属线的两端分别与第一电极和第四电极相连；(2)将二维材料的两边分别搭接在第一金属线和第二金属线上，二维材料与第一金属线和第二金属线形成一个H形结构，将载有二维材料的导热基底置于一个控温平台上，保持控温平台的温度为T0，测量二维材料两端的电压Uσ以及流过二维材料的电流Iσ，利用下式，计算得到二维材料的电导率σ：其中，a2为二维材料宽度，L2为二维材料长度，d2为二维材料厚度。本专利技术提出的二维材料的热、电多物性综合测量方法，当该方法用于测量二维材料的热导率时，该方法包括以下步骤：(1)建立一个如权利要求1所述的测量装置，在一个导热基底加工出凹槽，凹槽的形状为左右对称的两条纵向凹槽及使两条纵向凹槽相连的中间横向凹槽，凹槽将导热基底分成左右对称的两个区域和中间的上下两个区域，在导热基底的左右对称的两个区域的上下区域分别设置第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，在导热基底的中间上下两个区域分别沉积有金属薄膜，在导热基底的中部分别设置第一金属线和第二金属线，使第一金属线的两端分别与第二电极和第三电极相连，使第二金属线的两端分别与第一电极和第四电极相连；(2)将二维材料的两边分别搭接在第一金属线和第二金属线上，二维材料与第一金属线和第二金属线形成一个H形结构；(3)对第一金属线两端加上电压U1，对第二金属线两端加上电压U本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维材料的热、电多物性综合测量装置，其特征在于该装置包括一个导热基底、第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第一金属线、第二金属线和金属薄膜；所述的导热基底上加工有凹槽，凹槽的形状为左右对称的两条纵向凹槽及使两条纵向凹槽相连的中间横向凹槽，凹槽将导热基底分成左右对称的两个区域和中间的上下两个区域，在导热基底的左右对称的两个区域的上下区域分别设置所述的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，在导热基底的中间上下两个区域分别沉积所述的金属薄膜，在导热基底的中部分别设置所述的第一金属线和第二金属线，使第一金属线的两端分别与第二电极和第三电极相连，使第二金属线的两端分别与第一电极和第四电极相连，二维材料的两边分别搭接在第一金属线和第二金属线上，二维材料与第一金属线7第二金属线形成一个H形结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种二维材料的热、电多物性综合测量装置，其特征在于该装置包括一个导热基底、第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第一金属线、第二金属线和金属薄膜；所述的导热基底上加工有凹槽，凹槽的形状为左右对称的两条纵向凹槽及使两条纵向凹槽相连的中间横向凹槽，凹槽将导热基底分成左右对称的两个区域和中间的上下两个区域，在导热基底的左右对称的两个区域的上下区域分别设置所述的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，在导热基底的中间上下两个区域分别沉积所述的金属薄膜，在导热基底的中部分别设置所述的第一金属线和第二金属线，使第一金属线的两端分别与第二电极和第三电极相连，使第二金属线的两端分别与第一电极和第四电极相连，二维材料的两边分别搭接在第一金属线和第二金属线上，二维材料与第一金属线7第二金属线形成一个H形结构。


2.一种二维材料的热、电多物性综合测量方法，其特征在于，当该方法用于测量二维材料的电导率时，该方法包括以下步骤：
(1)建立一个如权利要求1所述的测量装置，在一个导热基底加工出凹槽，凹槽的形状为左右对称的两条纵向凹槽及使两条纵向凹槽相连的中间横向凹槽，凹槽将导热基底分成左右对称的两个区域和中间的上下两个区域，在导热基底的左右对称的两个区域的上下区域分别设置第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，在导热基底的中间上下两个区域分别沉积有金属薄膜，在导热基底1的中部分别设置第一金属线和第二金属线，使第一金属线的两端分别与第二电极和第三电极相连，使第二金属线的两端分别与第一电极和第四电极相连；
(2)将二维材料的两边分别搭接在第一金属线和第二金属线上，二维材料与第一金属线和第二金属线形成一个H形结构，将载有二维材料的导热基底置于一个控温平台上，保持控温平台的温度为T0，测量二维材料两端的电压Uσ以及流过二维材料的电流Iσ，利用下式，计算得到二维材料的电导率σ：



其中，a2为二维材料宽度，L2为二维材料长度，d2为二维材料厚度。


3.一种二维材料的热、电多物性综合测量方法，其特征在于，当该方法用于测量二维材料的热导率时，该方法包括以下步骤：
(1)建立一个如权利要求1所述的测量装置，在一个导热基底加工出凹槽，凹槽的形状为左右对称的两条纵向凹槽及使两条纵向凹槽相连的中间横向凹槽，凹槽将导热基底分成左右对称的两个区域和中间的上下两个区域，在导热基底的左右对称的两个区域的上下区域分别设置第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，在导热基底的中间上下两个区域分别沉积有金属薄膜，在导热基底的中部分别设置第一金属线和第二金属线，使第一金属线的两端分别与第二电极和第三电极相连，使第二金属线的两端分别与第一电极和第四电极相连；
(2)将二维材料的两边分别搭接在第一金属线和第二金属线上，二维材料与第一金属线和第二金属线形成一个H形结构；
(3)对第一金属线两端加上电压U1，对第二金属线两端加上电压U3，测量第一金属线的电流I1和第二金属线的电流I3，利用下式计算得到第一金属线的电阻Rλ1和第二金属线的电阻Rλ3：
Rλ1＝U1/I1，
Rλ3＝U3/I3；
根据电阻和温度的关系，利用下式计算得到第一金属线的平均温度Tλm1和第二金属线的平均温度Tλm3：
Tλm1＝T0+(Rλ1-R10)/(R10β)，
Tλm3＝T0+(Rλ3-R30)/(R30β)；
其中，T0为导热基底、第一金属线和第二金属线的初始温度，R10为第一金属线在温度T0时的电阻，R30为第二金属线8在温度T0时的电阻，β为第一金属线和第二金属线在温度T0时的电阻温度系数，均为已知；
(4)设以第一金属线的中点为原点0，沿着第一金属线的方向为X方向，在二维材料平面内且垂直第一金属线的方向为Y方向，建立一个求解二维材料热导率的优化模型，包括以下步骤：
(4-1)二维材料热导率优化模型的目标函数包括：
第一金属线7的温度分布函数为T1(x)：



二维材料的温度分布函数为T2(x,y)：



第二金属线8的温度分布函数为T3(x)：



其中，U1和I1分别为步骤(3)的第一金属线两端的电压和流过第一金属线的电流，L1、a1、d1分别为第一金属线的长度、宽度和高度，L2和a2分别为二维材料的长度和宽度，L3、a3、d3分别为第二金属线的长度、宽度和高度，λ1为第一金属线的热导率，λ3为第二金属线的热导率，T2(x,0)为待求变量T2(x,y)在y＝0处的值，T2(x,a2)为待求变量T2(x,y)在y＝a2处的值，RC为第一金属线以及第二金属线与二维材料之间单位面积的接触热阻；
(4-2)二维材料热导率优化模型的约束条件包括：
在x＝0处：



在x＝L2/2处：



在x＝L3/2处：
T1(L3/2)＝T3(L3/2)＝0；
(5)对步骤(4)的二维材料热导率的优化模型进行求解，步骤如下：
(5-1)设定一个测量误差阈值ε，初始化时，设定二维材料的初始热导率为λ2；
(5-2)用数值计算的方法，求解步骤(4)的二维材料热导率的优化模型，得到第一金属线的平均温度TλmA和第二金属线的平均温度TλmB；
(5-3)将步骤(5-2)的第一金属线的平均温度TλmA和第二金属线的平均温度TλmB以及步骤(3)中获取的第一金属线的平均温度Tλm1和第二金属线的平均温度Tλm3的差值与测量误差阈值ε进行比较：
若|TλmA-T...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴，赵帅伊，王海东，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11