微納材料熱電性能測量研究方面取得進展

　　近日，中國科學院工程熱物理研究所儲能研發中心在微納材料的熱電性能表征方法方面取得進展，為微納材料熱電參數的精確測量和一體化原位表征提供了研究思路。

　　提高材料的熱電性能是學者們一直追求的目標，將材料進行微納結構化是提高熱電性能的重要且有效的方法之一。熱電參數（熱電優值ZT、熱導率k、賽貝克系數S和電導率σ）是評價材料熱電性能的關鍵指標，熱電參數的精確表征是高性能材料研發及應用的基礎。然而目前商用儀器只能在熱導儀表征材料熱導率、賽貝克系數儀測量賽貝克系數及電導率后，通過公式ZT=S2σT/k計算獲得熱電優值，誤差較大。更重要的是，商用儀器不適用于微納材料，而隨著微納結構化處理，由于樣品尺度減小帶來的測量困難越來越突出。實驗室里通過懸浮器件、掃描探針、預置電路等方法分別制樣，分開表征微納材料熱導率、賽貝克系數及電導率計算獲得ZT，不僅誤差大，而且會因為多次制樣的微納結構不同導致錯誤的ZT計算結果。因此迫切需要開發更準確和精確的原位綜合測量方法。

　　對此，研究人員綜述了現有的微納材料熱參數和電參數測量方法的適用范圍、優缺點以及升級改造為原位綜合測量面臨的挑戰。同時總結了現有微納材料熱電性能綜合測量方法的難點及發展趨勢，并提出適用于一維納米管和二維薄膜材料熱電性能原位直接一體表征方法的策略：1、對于傳統3ω-T型方法，需在原有的基礎上增加測量電極，使用四探針法測量電導率，結合3ω法測量熱導率，從而實現熱電參數的高精度綜合測量。2、對于懸浮式微器件，通過優化電極結構和懸浮處理，可以綜合測量納米線和薄膜的熱電參數。值得注意的是，在測量微/納米結構時需要考慮樣品轉移的困難。3、結合光學和微電極方法可以對熱電參數進行綜合測量。用光學法測量薄膜的面內熱導率和微電極測量薄膜的電導率，通過在薄膜表面形成溫差可以測量塞貝克電壓，進而實現薄膜面內熱電參數的測量。4、熱探頭與電探針相結合也可以實現一體化測量。通過熱探針和電探針同時測量樣品的熱導率和塞貝克系數，結合外部電路測量電導率。該方法可實現樣品法向熱電參數的測量。

　　相關成果以Progress in measurement of thermoelectric properties of micro/nano thermoelectric materials: A critical review為題在線發表在Nano Energy上。上述工作得到了國家自然科學基金、中科院科學儀器研制項目和中科院輕型動力創新研究院項目的支持。

圖1 現有微納材料熱電性能測量方法

圖2 未來可行的微納材料熱電參數原位直接一體表征技術：（a）（b）改進的懸浮器件法；（c）光學與四探針結合法；（d）改進的掃描顯微鏡法