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QD中国:仪器需不断发展来适应热电材料的测试需求 - 云谱仪器(上海)有限公司

为了帮助行业用户学习、了解热电材料测试*新技术及分析方案等内容,仪器信息**别策划了“热电材料测试技术”专题,并邀请到QUANTUM量子科学仪器贸易(北京)有限公司(暨QUANTUM DESIGN中国子公司)销售总监苗雁鸣博士就热电材料测试相关问题发表看法。 

 

苗雁鸣 博士

QUANTUM DESIGN中国子公司销售总监

云谱仪器:现行的热电材料相关测试技术是否满足国内市场日益提升的测试需求?有哪些方面需要进行改进或完善?

苗雁鸣:热电材料作为一种新型能源转换材料,在航空航天、清洁能源、电子技术等众多领域有着广泛的应用。随着热电材料的研究热度逐渐提高,市场对热电材料性能表征仪器的需求也在不断增加。

虽然从原理上来说,热电材料的测试技术已经比较成熟,但是市场上的仪器还需要不断发展来适应日趋多样化的测试需求。例如,传统的塞贝克系数测量仪器结构较为复杂,且测试单个样品的时间较长,不利于样品的快速检测。

此外,目前针对块体材料性能测试的设备较多,而针对需要测量塞贝克系数分布材料(如薄膜材料和功能梯度材料等)的仪器较少,不能满足材料组分均匀性研究的需求;大部分测试薄膜热电性能的仪器主要测试的是薄膜内方向(即XY方向),而能够测试薄膜厚度方向的仪器还非常少见;热电材料研究的*终目标是为了实用,所以热电材料的热点转换效率非常重要,而能直接测量热电材料的热电转换效率的仪器却不多。

针对以上几点问题,现在市场上能满足这些测量需求,且比较有代表性的仪器有美国QUANTUM DESIGN公司用于低温高精度热电性质测量的PPMS综合物性测量系统热输运模块、日本ADVANCE RIKO公司用于室温及高温热电性能测量的ZEM和PEM系列,以及德国PANCO公司用于测量塞贝克系数二维分布的PSM II显微镜。

新一代PPMS综合物性测量系统.png

新一代PPMS综合物性测量系统

云谱仪器:目前的热电材料测试项目中哪些值得特别关注?相关分析测试方法的技术难点主要在哪?

苗雁鸣:块体热电材料仍是目前的应用主体,但在持续探索新型高性能热电化合物的同时,采用微结构调控等手段对传统热电材料性能进一步优化和提高是研究的重要方向。纳米线和薄膜等由于结构上显著的各向异性从而产生了独特电声输运特性,对于此类材料的热电特性测试值得特别关注。

以材料的塞贝克系数测量为例,传统的测量方法和设备都是针对块状材料测试需求开发设计的,即使有为薄膜材料专门设计的夹具,其测试方向也是平行于材料表面的。而随着各向异性材料越来越多,如超晶格薄膜等被应用于热电元件,对于厚度方向上塞贝克系数的测量需求也越来越迫切。

测试的技术难点主要在于试样的尺寸较小,测量时的相应信号较弱,必须采用高精度的数字电压表,同时还需保持微米厚度试样两侧的温差恒定以及两侧的温度测量**。

热导率的测量由于热传输的多种方式(辐射、对流等)而更加困难,测量时应尽量减小被测物体内部途径之外的热输运。对于薄膜样品,由于其热损失严重,难以保持薄膜两边的热稳定,多采用测量速度快、准确度高的瞬态法进行测量,如激光闪光法等。

日本ADVANCE RIKO公司的塞贝克系数与电阻测量系统ZEM系列在全球销售量超过300台,广获全球科研及工业用户的赞誉,成为热电材料领域标杆性的测试设备。2019年, ADVANCE RIKO公司在此前的成功基础上推出了专门用于评价聚合物厚度方向上热电性能的全新设备ZEM-d。

用于评价聚合物厚度方向上热电性能的全新设备ZEM-d系统.png

用于评价聚合物厚度方向上热电性能的全新设备ZEM-d系统

与广获赞誉的ZEM系列(ZEM-3/ZEM-5)不同,ZEM-d测量的是聚合物薄膜厚度方向上的塞贝克系数和电阻率,可以测量的样品*薄为10 μm。此外,由于与采用激光闪光法测量薄膜的热扩散率/导热系数测量方向一致,其测量结果可广泛应用于薄膜热电材料的性能评价。

云谱仪器:请介绍一下QUANTUM DESIGN中国在热电材料测试方面的核心仪器产品或产品组合?相比于同类产品,本公司的产品有哪些优势?

苗雁鸣:QUANTUM DESIGN中国针对热电材料测试,有多种测量仪器,涵盖了热电测试的各种需求。

现包括可以在1.9K-400K温度间、±16T磁场下进行热导率、塞贝克系数以及电导率测量的PPMS综合物性测量系统热输运模块;可以在 50-1000℃进行塞贝克系数和电阻测量的塞贝克系数/电阻测量系统-ZEM;可以在高温下测量薄膜厚度方向上的塞贝克系数和电阻率的ZEM-d;*高800℃下测量热电转换效率、发电量、热流量的热电转换效率测量系统-PEM,小型热电转换效率测量系统-Mini-PEM以及大气环境下热电材料性能评估系统-F-PEM;可以测量薄膜或块体表面塞贝克系数和电阻二维分布的PSM II显微镜;等等。

除了ZEM有一些仿制产品外,其他如PPMS综合物性测量系统热输运模块,ZEM-d,PEM,Mini-PEM,F-PEM和PSM II都是QUANTUM DESIGN中国独有的产品。

云谱仪器:QUANTUM DESIG中国在热电材料测试方面可以提供哪些分析评估方案?这些方案可以为用户解决什么研究难题?

苗雁鸣:QUANTUM DESIG中国提供的仪器可对热电材料,以及超导材料、半导体材料、高分子材料、纳米材料、燃料电池、导电陶瓷、块材、薄膜、单晶等进行热导率、塞贝克系数、电导率、电阻、热电转换效率、发电量、热流量和塞贝克系数和电阻二维分布测量,*大程度来满足热电材料研究者方方面面的热电相关测试需求。

云谱仪器:针对热电材料领域,QUANTUM DESIG中国接下来的有怎样的战略规划?

苗雁鸣:QUANTUM DESIGN中国作为美国QUANTUM DESIGN公司在全世界设立的诸多子公司之一,全权负责美国QUANTUM DESIGN公司本部产品在中国销售和售后服务的同时,还致力于发展与全球范围内先进科学仪器制造商的合作,帮助其产品引进中国市场,发展与中国本地科学家的合作,并将实验方法及设备商业化。

2018年7月,QUANTUM DESIGN中国与日本ADVANCE RIKO正式达成协议,作为其热电材料测试设备在中国的一家代理商继续合作,进一步将日本ADVANCE RIKO的相关设备在中国大陆、香港和澳门推广。并且在日本ADVANCE RIKO公司的协助下,QUANTUM DESIGN中国在北京建立了示范实验室和用户服务中心。

截止目前,QUANTUM DESIGN中国在北京设立样机实验室已有超过300万美元的投入,其中与热电材料相关的有PPMS DYNACOOL综合物性测量系统样机演示实验室以及小型热电转换效率测量系统Mini-PEM样机演示实验室,致力于为中国热电技术发展提供专业的支持和服务。

为了更好地服务国内热电材料科研领域的客户,QUANTUM DESIGN中国会不断推出更为**的测试手段。此外,QUANTUM DESIGN中国将携手日本ADVANCE RIKO公司于近期推出厚度方向热电性能评价系统ZEM-d的免费样品测试活动。

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