低温综合物性测量系统-热电材料
Sb2Te3基热电材料简介--李特
Sb2Te3基热电材料简介学院：理学院专业：光信息科学与技术姓名：李特学号： 0836005前言材料的热电效应(又称温差电效应)，是电能与热能之间的相互耦合转换，从发现热电现象至今己有近200年的历史，然而真正将这一现象发展为有实用意义的能量转换技术与装置则是在20世纪50年代。
热电材料(又称温差电材料)是将热能和电能进行转换的功能材料，在热电发电和制冷、恒温控制与温度测量等领域都有极为广阔的应用前景。
利用热电材料制成热电器件能够实现“热．电”的直接转换。
热电器件具有很多独特的优点，如结构紧凑、没有运动部件、工作无噪声、无污染、安全不失效等，在少数尖端科技领域己经获得了成功的应用。
近年来，随着计算机技术、航天技术、微电子技术、超导技术的发展，能源与环境危机的加剧，迫切需要小型、静态且能固定安装的寿命长的制冷装置和温差发电装置。
与此同时，热电理论的发展和对热电材料实际应用研究的不断深入，热电学研究显示出了更为广泛的应用前景和发展潜力。
热电转换技术是利用半导体材料的Seebeck效应将热能转换成电能的一种新的能源转换和发电技术。
因此，热电转换技术作为一种新型的、环境友好型能源转换技术，由于其可望广泛应用于大量而分散存在的低密度热能(如太阳热、垃圾燃烧余热、工厂排热、以及汽车尾气排热等)的热电发电，而引起世界各国特别是发达国家的高度重视。
一、热电学的基本理论热电效应是由温差引起的电效应和电流引起的可逆热效应的总称。
包括Seekbeck效应、Peltier效应和Thomson效应。
1823年，Thomas Seebeck首次发现了金属的热电效应，也称作Seebeck效应，从而开始了人类对热电材料的研究和应用。
1.1 Seebeck效应早在1821年，德国科学家Seebeck发现在锑和铜两种材料组成的回路中，当两个接点处于不同温度时，回路中便有电流流过。
产生这种电流的电动势称为温差电动势，这种现象称为赛贝克效应(Seebeckeffect)，简单的讲就是通过材料的Seebeck效应将热能直接转变为电能。
热电材料的性能测试和优化研究
热电材料的性能测试和优化研究1.引言热电材料是一种可以将热能转化为电能或者反过来，将电能转化为热能的功能性材料。
热电材料在能源转化领域具有重要的应用价值，如热电器件、太阳能电池等。
热电材料的性能测试和优化是其应用的关键研究内容，在本篇文章中，我们将详细介绍热电材料的性能测试和优化研究。
2. 热电材料的性能测试热电材料的性能测试主要包括电学性能测试和热学性能测试两个方面。
2.1 电学性能测试电学性能测试是指对热电材料的电学特性进行测试。
电学特性主要包括电导率、霍尔系数和电阻率等。
电导率是指材料单位长度内导电的能力，通常用电导率的倒数——电阻率来表示。
电阻率的测量方法包括四探针法和两探针法。
霍尔系数是材料在磁场作用下电子输运的参量之一，可以用来计算载流子浓度和类型。
测量霍尔系数的方法有DC霍尔效应、AC霍尔效应和旋转霍尔效应等。
2.2 热学性能测试热学性能测试是指对热电材料的热学性质进行测试。
热学性质主要包括热导率、Seebeck系数和功率因子等。
热导率指热量通过单位时间内材料单位截面积的能力，通常用热阻值的倒数——热导率来表示，热导率的测量方法有热板法、热线法和热流法等。
Seebeck系数是指热电材料在温度梯度作用下产生电势差的比例系数。
测量Seebeck系数的方法有热电流法、恒温法和温差法等。
功率因子是以Seebeck系数为基础定义的综合参数，用来描述热电材料的电热转换效率，通常用来评价热电材料的性能。
3. 热电材料的性能优化在热电材料的应用过程中，热导率、Seebeck系数和功率因子是最重要的性能参数，因此，优化这些性能参数成为热电材料性能优化的重要研究方向。
3.1 热导率优化热电材料的热导率过高会导致热能的快速损失，从而降低了热电能的转化效率。
因此，热导率的降低是热电材料的性能优化的关键目标之一。
目前热导率的优化方法主要包括增加界面的散热面积、杂质散射、纳米结构优化等。
3.2 Seebeck系数优化Seebeck系数是衡量热电材料电转换效率的重要参数，其优化方法主要包括化学合成方法和调制电子结构等方法。
《SnTe-In2Te3体系热电材料的制备与性能研究》范文
《SnTe-In2Te3体系热电材料的制备与性能研究》篇一一、引言随着环保能源需求日益增加，热电材料因其在热能与电能之间的直接转换而成为近年来的研究热点。
SnTe-In2Te3体系热电材料因其高效率、低成本的特性，在热电材料领域中备受关注。
本文旨在研究SnTe-In2Te3体系热电材料的制备方法以及其性能分析，以期推动其在实际应用中的进一步发展。
二、实验部分1. 材料制备SnTe-In2Te3体系热电材料的制备采用传统的固相反应法。
首先，将高纯度的SnTe和In2Te3粉末按照一定比例混合，然后在高温下进行长时间的烧结反应，得到所需的SnTe-In2Te3复合材料。
2. 性能测试通过X射线衍射（XRD）技术对材料的结构进行表征，使用扫描电子显微镜（SEM）观察材料的微观形貌，并利用热电性能测试仪对材料的电导率、塞贝克系数和热导率等性能进行测试。
三、结果与讨论1. 结构分析通过XRD分析发现，制备的SnTe-In2Te3复合材料具有典型的晶体结构，与预期的相符合。
同时，SEM图像显示材料具有均匀的微观形貌，无明显缺陷。
2. 性能分析（1）电导率：随着In2Te3含量的增加，材料的电导率呈现先增后减的趋势，在某一比例下达到最大值。
这主要是由于In2Te3的引入改善了材料的电子传输性能。
（2）塞贝克系数：SnTe-In2Te3复合材料的塞贝克系数随温度的升高而增大，表明其具有较好的热电效应。
此外，In2Te3的加入可以进一步提高材料的塞贝克系数。
（3）热导率：材料的热导率受多种因素影响，包括晶格热导率和电子热导率等。
通过调整In2Te3的含量，可以优化材料的热导率，从而提高其热电性能。
四、结论本文研究了SnTe-In2Te3体系热电材料的制备方法及性能分析。
通过固相反应法成功制备了具有典型晶体结构和均匀微观形貌的复合材料。
实验结果表明，适当调整In2Te3的含量可以优化材料的电导率、塞贝克系数和热导率等性能，从而提高其热电性能。
热电、光电材料综述
热电偶（thermocouple ）是温度测量仪表中常用的测温元 件,是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接 合点 热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。
第三章 热电材料(Thermoelectric material)就是把热转变为 电的材料，包括温差电动势材料，热电导材料和热释 放材料。 1 温差电动势材料 • 温差电动势效应 由两种不同的导体(或半 塞贝克效应 (Seebeck effect) 导体)A, B组成的闭合回路， 当两接点保持在不同温度 T1, T2时，回路中将有电 流产生。此回路称热电回 路。回路中出现的电流称 为热电流。回路中出现的 电动势ΔEAB称为塞贝克电 塞贝克(T.J. Seebeck) 动势。 的实验,1821年
• 晶体中存在热释电效应的前提是具有自发 极化，晶体结构的某些方向的正负电荷重 心不重合，故存在固有电矩。 • 晶体结构中存在着与其它极轴不相同的惟 一极轴(极化轴)时，这样才有可能因热膨胀 而引起总电矩的变化，即出现热释电效应。 • 如果在晶体两端连接一负载Rn，则会产生 电位差Δ V（热释电）。
碱金属，Co, Ni, Fe等 负汤姆逊热效应 Negative Thomson effect
汤姆逊热效应
在热电同路中流过电流时，在存在温度梯度dT/ dx的导 体上也将出现可逆的热效应，是放热还是吸热，依温度 梯度和电流的方向而定热效应的大小ΔQT, (μ称为汤姆 逊系数)
汤姆逊又将两种温差电热效应的系数与温差热电效应的 塞贝克系数联系起来得到汤姆逊关系式
PPMS测试系统原理介绍-已发布论坛
材料综合物性综合测量系统（PPMS）原理及应用王立锦编北京科技大学材料学院实验测试中心2007年6月材料综合物性综合测量系统（PPMS）原理及应用美国Quantum Design 公司的产品PPMS( Physics Property Measurement System) 是在低温和强磁场的背景下测量材料的直流磁化强度和交流磁化率、直流电阻、交流输运性质、比热和热传导、扭矩磁化率等综合测量系统。
北京科技大学材料学院与美国Quantum Design 公司在北京科技大学材料学院实验中心联合成立了PPMS材料综合物性测量研究实验室，安装了PPMS-9综合物性测量系统、HH-15振动样品磁强计、材料磁电阻效应、霍尔效应及磁致伸缩效应测量仪等仪器，现已全面对学生教学和科研测试开放。
一、实验目的1、了解PPMS-9综合物性测量系统的结构、组成、测量原理及应用范围；2、熟悉PPMS-9仪器开关机步骤及更换样品、测量附件的方法；3、熟悉PPMS-9仪器软件控制程序及参数设置方法；二、PPMS仪器测量原理和方法PPMS是Quantum Design 公司在成功推出MPMS1之后，于20 世纪90 年代中期推出的又一款产品。
一个完整的PPMS 系统也是由一个基系统和各种选件两个部分构成，根据内部集成的超导磁体的大小基系统分为7 特斯拉、9 特斯拉、14 特斯拉和16 特斯拉系统。
但与MPMS 专注于磁测量不同，PPMS 在基系统搭建的温度和磁场平台上，利用各种选件进行磁测量、电输运测量、热学参数测量和热电输运测量。
基系统主要包括软件操作系统，温控系统，磁场控制系统，样品操作系统和气体控制系统。
下面结合各种选件对PPMS 的测量原理和方法加以说明。
1.交直流磁化率选件该选件是研究各种材料在低温下磁行为的主要设备之一，包括探杆、样品杆、伺服电机、电子控制部分、精密电源和软件部分(集成于系统软件) 。
可以在同一程序中对一个样品先后进行交流磁化率和直流磁化强度的测量而不需要对样品进行任何调。
PPMS测试系统原理及介绍---已发布论坛
材料综合物性综合测量系统（PPMS）原理及应用王立锦编北京科技大学材料学院实验测试中心2007年6月材料综合物性综合测量系统（PPMS）原理及应用美国Quantum Design 公司的产品PPMS( Physics Property Measurement System) 是在低温和强磁场的背景下测量材料的直流磁化强度和交流磁化率、直流电阻、交流输运性质、比热和热传导、扭矩磁化率等综合测量系统。
北京科技大学材料学院与美国Quantum Design 公司在北京科技大学材料学院实验中心联合成立了PPMS材料综合物性测量研究实验室，安装了PPMS-9综合物性测量系统、HH-15振动样品磁强计、材料磁电阻效应、霍尔效应及磁致伸缩效应测量仪等仪器，现已全面对学生教学和科研测试开放。
一、实验目的1、了解PPMS-9综合物性测量系统的结构、组成、测量原理及应用范围；2、熟悉PPMS-9仪器开关机步骤及更换样品、测量附件的方法；3、熟悉PPMS-9仪器软件控制程序及参数设置方法；二、PPMS仪器测量原理和方法PPMS是Quantum Design 公司在成功推出MPMS1之后，于20 世纪90 年代中期推出的又一款产品。
一个完整的PPMS 系统也是由一个基系统和各种选件两个部分构成，根据内部集成的超导磁体的大小基系统分为7 特斯拉、9 特斯拉、14 特斯拉和16 特斯拉系统。
但与MPMS 专注于磁测量不同，PPMS 在基系统搭建的温度和磁场平台上，利用各种选件进行磁测量、电输运测量、热学参数测量和热电输运测量。
基系统主要包括软件操作系统，温控系统，磁场控制系统，样品操作系统和气体控制系统。
下面结合各种选件对PPMS 的测量原理和方法加以说明。
1.交直流磁化率选件该选件是研究各种材料在低温下磁行为的主要设备之一，包括探杆、样品杆、伺服电机、电子控制部分、精密电源和软件部分(集成于系统软件) 。
可以在同一程序中对一个样品先后进行交流磁化率和直流磁化强度的测量而不需要对样品进行任何调。
低温热电材料在能源转换中的应用
低温热电材料在能源转换中的应用随着全球化进程的推进和能源需求的增长，寻找高效、可持续的能源转换方式成为全球研究的热点。
低温热电材料由于其在能源转换中的独特性能，受到了广泛的关注。
在本文中，我们将重点探讨低温热电材料在能源转换中的应用。
热电效应是指材料在温度梯度下产生电压和电流的现象。
低温热电材料通过利用温度差异来产生电能，将废热、低温热能转化为有用能源。
这种能量转换方式具有环保、高效、可靠等优点，可以广泛应用于工业生产、家庭用电等领域。
目前，低温热电材料主要以无机材料、有机材料和有机-无机复合材料为主。
无机材料中的铋基化合物、锑基化合物、硫化物等具有良好的热电性能，如高的热电效率和较低的导热系数。
有机材料中的聚合物、有机小分子化合物等具有较高的柔韧性和可塑性，适合在微型热电发电器件中应用。
有机-无机复合材料则结合了无机材料和有机材料的优点，具有更好的热电性能和工艺可控性。
低温热电材料在能源转换中的应用主要体现在以下几个方面。
首先，低温热电材料可以用于废热回收。
在工业生产和能源利用过程中，大量的废热被浪费掉。
而低温热电技术可以将这些废热转化为电能，提高能源利用效率。
例如，在石化、钢铁、锅炉等行业中，通过在烟气管道中安装低温热电材料装置，可以将废热转化为电能供应给生产设备或者回馈到电网。
其次，低温热电材料可以应用于家庭能源利用。
在家居环境中，产生的一些低温热能可以通过热电装置转化为电能，用于供电、供热、照明等方面。
例如，将低温热电模块应用于太阳能热水器中，可以将太阳能转化为电能，提供给家庭的热水器和其他电器设备使用。
这种方式既可以提高太阳能的利用效率，又能减少家庭对传统能源的依赖。
另外，低温热电材料还可以应用于移动能源领域。
在现代社会，随着物质生活水平的提高和移动设备的广泛应用，对电能的需求也在不断增加。
而传统的电池能源往往存在能量密度低、使用寿命有限等问题。
低温热电材料可以解决这些问题，通过轻量化、柔性化的设计，将热能转化为电能，为移动设备提供持续的电力支持。
热电材料的设计和性能研究
热电材料的设计和性能研究热电材料，是指具有热电效应的材料，它们能将热能转换为电能或将电能转换为热能。
研究热电材料的性质和应用，是材料科学领域中的热点之一。
热电材料的设计和性能研究，涉及到材料的结构、晶体结构、电学性质、热学性质等多个方面。
一、热电材料的应用热电材料的应用，在能源转换、传感器、制冷和热电发电等领域中有着广泛的应用。
在能源转换方面，热电材料可以用于直接转换废弃热能为电能，从而提高能源的利用效率。
在制冷方面，热电材料可以制成固态制冷器，不像传统的制冷设备需要使用氟利昂等危险的化学物质。
在传感器方面，热电材料的应用可以提高传感器的响应速度和准确度。
在热电发电方面，热电材料可以应用于地热、太阳能、化学反应等多个能量来源，将其转化为电能供应给人们的生活。
二、热电材料的设计思路热电材料设计的关键是提高热电性能。
热电性能由热电功率因数和电阻率决定。
热电功率因数越高，说明该材料转换热能为电能的功效越好；电阻率越低，说明该材料的电流输送能力越强。
因此，提高热电性能的设计思路，主要涉及到如下几个方面：1、设计新型的材料结构通过对热电材料结构的优化设计，可以提高热电性能。
例如，研究表面纳米结构化的材料，可以提高热电功率因数的值。
2、材料的组成设计通过对材料的组成设计，可以改变材料的电学性质和热学性质。
例如，通过添加掺杂元素，可以调节材料的电荷载流子浓度，从而提高电子和空穴的浓度均衡度；又例如，通过添加合适的杂质，可以减少热电材料的热导率，从而提高热电性能。
3、利用纳米材料的优势纳米材料具有较大的比表面积、短电子传输距离和失活载流子的数量偏少等特点，这对于传热和传电来说具有很大的优势。
通过纳米材料的设计，可以提高材料的热电力学性质和机械性能。
三、热电材料的性能研究热电材料性能研究的主要内容，包括热电功率因数、电阻率和热导率的测量和计算。
其中热电功率因数和电阻率是反映材料热电性能的两个最主要的物理量。
1、热电功率因数的测量热电功率因数是衡量材料直接转化热能为电能效果的一个物理量。
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应变传感器安装于样品试样上 每次最多可以同时测量三个样品 样品安装过程方便、快捷、可靠 可在平面内测量多个方向上的膨胀量 可匹配应用于其他品牌综合物性测量系统
（5）比热测量单元
采用热弛豫方法、双 τ 模式比热测量技术测量比热。
在测试温度区间内无级连续控温，并进行连续测量，得到高密度的精确数据 全自动控温、测量 样品安装过程方便、快捷、可靠
（4）热膨胀系数测量单元
采用低温应变传感器法测量热膨胀系数。
测试温度区间内无级连续控温，并进行连续测量，得到高密度的精确数据 全自动控温、测量 样品尺寸灵活，无需制作成长条状或长圆柱状样品，样品只需具备一个大于 5mm×5mm 的平面就可以测试（其它面可以不规则和不平整） ，最小样品尺寸 可达 5mm×5mm×0.5mm
低温综合物性测量系统
温度范围：-269℃—RT/200℃
北京柯锐欧科技有限公司
低温综合物性测量系统 CPMS-4
电学性能：电导率/电阻率、热电势率/塞贝克系数 热学性能：热导率、热膨胀系数、比热等 温度范围：4K-300K（-269℃—室温） 低温技术：低温制冷机作冷源，无需消耗液氮/液氦 应用领域：低温热电材料、超导材料、低温负热膨胀/零膨胀等功能材料及其它固体材料低温物性研究
4、热膨胀系数测量数据对照 （美国 NIST）最大相对差值 小于 1%。
北京柯锐欧科技有限公司（BeiJing Cryoall Science and Technology Co., Ltd.）与中国 科学院理化技术研究所、德国卡尔斯鲁厄理工学院 Arman Nyilas 教授合作，致力于为中国科 研、 航天航空、 大科学工程提供高端测试仪器及相关应用解决方案。 柯锐欧技术服务中心 （中 科院理化所研发中心）为客户提供系统参观、样品测试、售后服务等全方位服务。 产品系列包括： 低温综合物性测量系统 CPMS-4 低温综合力学测试系统 LNCM/LHCM/CCCM NYILAS（尼洛斯）超轻引伸计 NRT/ NLN/NLH CRYOALL（柯锐欧）低温引伸计 CRT/CLN/CLH 低温热膨胀系统/热机械系统 CDIL/CTMA 热膨胀/导热系数综合测量系统 DIL-TCI 高低温环境试验箱 LH 473/ LN 473 低温温度监测仪 TM-P/H 定制低温系统（液氦输液管、低温恒温器、低温控温杜瓦） 高品质光学级减震系统 热电材料分析评估解决方案
（3）热导率测量单元
采用绝热稳态轴向热流法测量热导率。
样品室内部多路控温, 最大程度减少样品辐射漏热和样品热端引线漏热 测试温度区间内无级连续控温，并进行连续测量，得到高密度的精确数据 系统自适应测量过程，适合新型材料物性研究 样品尺寸灵活，适用于不同尺寸样品的测量 全自动的测量过程，操作简单 配备专用样品安装工具，样品安装过程方便、快捷、可靠
样品尺寸：
应用实例
1、 304 不锈钢热导数据测量 对照（美国 NIST）。最大相 对差值小于 3 %。
2、 304 不锈钢电阻率数据测量 对照。 最大相对差值小于 0.1%。
3、热电材料塞贝克系数测定 中国科学院理化技术研究所 采用此设备对高压合成法制 备的 Bi85Sb15 低温热电材料的 塞贝克系数测试结果
采用标准的四引线法测量直流电阻率。
测试温度区间内无级连续控温，并进行连续测量，得到高密度的精确数据 全自动测量电阻、伏安特性 能采用 Van Der Pauw 方法测量形状不规则但厚度均匀的样品 样品通过绝缘胶粘贴在样品台上，通过导电胶粘贴测量引线 每次最多可以同时测量三个样品 样品安装过程方便、快捷、可靠
（2）热电势率（Seebeck 系数）测量单元
采用微分法测量热电势率/塞贝克 Seebeck 系数。
测试温度区间内无级连续控温，并进行连续测量，得到高密度的精确数据 全自动控温、测量 样品通过导热胶粘贴在样品台上，通过导电胶粘贴测量引线 样品尺寸灵活，适用于不同尺寸样品的测量 样品安装过程方便、快捷、可靠
温度控制
采用制冷机直接冷却样品的方式，通过减震传热部件既减少制冷机的轻微震动可能带来的影响，又保证 了样品能够快速冷却。通过独特的设计能够实现连续快速精准温度控制。温控范围：4.0K-300K 连续控温； 温度稳定性：±0.1K(4.0-20K)/ ±0.3K(20-300K)。
测量单元
（1）电阻率(电导率)测量单元
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柯锐欧科技有限公司
北 京 地址： 北京市朝阳区朝阳路 8 号朗廷大厦 A 座 318 室 电话： +86-10-65707907 传真： +86-10-65707907 邮箱： sales@ (100024) 上 海 地址：上海市浦东新区灵山路 600 弄 2 号 701 室 （200135） 电话： +86-21-50792096 传真： +86-21-50792096 邮箱： sales@
多种测量单元
技术参数
温度范围： 热导率测量单元 测量范围： 测量精度： 样品尺寸： 0.1 W/ m·K～600 W/m·K 优于 5% 正方体：4×4、6×6、8×8、10×10 mm×2～15mm 圆柱体：Φ4～10 mm×2～15mm 电导率 (电阻率)测量单元 测量范围： 测量精度： 样品尺寸： 热电势率（Seebeck 系数）测量单元 测量范围： 测量精度： 样品尺寸： 热膨胀系数测量单元 测量范围： 测量精度： -100～100 E-6/K 优于 5% 长：8～15 mm；宽：5～15mm；高：1～5 mm 圆柱体：Φ8～15 mm×2～15mm 比热测量单元 测量精度： 样品尺寸： 优于 5% 0.3g-10g 1μV/K～1V/K 优于 6% 长：5～20 mm；宽：2～3 mm；高：2～3 mm 10 μS/m～10 S/m 优于 1% 长：4～20mm；宽：1～3mm；高：1～3mm 4K-300K， （ -269℃～RT)
基本系统
硬件结构包括：样品架组件、插入管组件、真空绝热系统、制冷机、减震传热部件、控温部件、干式泵、 氦气罐、测控仪表和数据采集处理系统等。基本系统平台提供低温环境，以及测量相关的软硬件控制中心。
样品室
样品室连接在样品架组件上，通过可拆卸方式安装不同物性测量样品台。测量时样品室处于密封的真空 状态，样品冷却过程是通过减震传热部件把制冷机冷量传递给样品架组件，再通过测试平台把冷量传递给样 品，使样品降温。样品测量采用样品冷源，无需使用液氮/液氦，实现固体材料低温区（4K-300K; -269℃—室温） 的电学性能（电导率/电阻率，热电势率/塞贝克 Seebeck 系数）和热学性能(热导率、热膨胀系数、比热等) 测量。
系统设计思想
在一个以单台或多台制冷机为冷源的低温平台上，集成全自动的电学和热学物性测量手段。使得整个系 统的低温环境得到充分利用、极大减少了客户购买仪器的成本、避免实验的繁琐和误差。低温平台与测量平 台分离设计，测试样品更换过程变得快捷、方便。