مقدمة
تغطي هذه المذكرة التطبيقية تحليل مادة BiTeSe باستخدام SBA 458 Nemesis® (الشكل 1). يسمح جهاز SBA 458 بقياس كل من معامل سيبيك والتوصيل الكهربائي لمادة BiTeSe مع قابلية عالية للتكرار ودقة قياس عالية. ويتضح ذلك من خلال العديد من أمثلة القياس في الأقسام التالية. بالإضافة إلى ذلك، يتم تقديم توصيات مفيدة لضبط معلمات القياس.
تصميم طراز SBA 458 Nemesis®
مع جهاز SBA 458 Nemesis®، يمكن قياس معامل سيبيك والتوصيل الكهربائي في وقت واحد. يوضح الشكل 2 التصميم التخطيطي لجهاز SBA 458. تقع العينة أفقيًا على دعامة العينة. على اليسار واليمين توجد سخانات في دعامة العينة الخزفية، والتي يمكن من خلالها توليد تدرج في درجة الحرارة في كلا اتجاهي العينة. توضع المزدوجات الحرارية تحت السطح السفلي للعينة. تقيس هذه المزدوجات الجهد الكهربي الحراري الناتج عن تدرج درجة الحرارة. وبناءً على ذلك، يمكن حساب معامل سيبيك. بجانب المزدوجات الحرارية أسفل سطح العينة السفلي توجد نقاط تلامس كهربائية تُستخدم لحقن التيار في العينة. يتم قياس الجهد الناتج عن طريق أرجل المزدوجات الحرارية. وباستخدام هذه المعلومات إلى جانب دوال تصحيح هندسة العينة، يمكن حساب التوصيلية الكهربائية.
الملامح الرئيسية لسيارة SBA 458 Nemesis®
يحتوي SBA 458 Nemesis® على بعض الميزات الرئيسية التي سيتم مناقشتها بإيجاز فيما يلي. للحصول على وصف تفصيلي للشروط الفردية، سيسعد مندوب المبيعات لدينا بمساعدتك.
التوصيل والقياس
يمكن قياس مجموعة متنوعة من الأشكال الهندسية للعينات باستخدام SBA 458. ويشمل ذلك العينات المستديرة وعينات القضبان والطبقات الرقيقة والطلاءات وعينات LFA النموذجية. يعد تغيير العينات إجراءً سريعًا وغير معقد. يتم التخلص من القياسات الفاصلة المرهقة أو خطوات العمل المعقدة الأخرى.
نظام قوي
يمنع التغليف الموجود على المزدوجات الحرارية (نوع K، طلاء inconel) تفاعل أو تلوث العينة والمزدوجة الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، فإن المزدوجات الحرارية ونقاط التلامس الكهربائية ثابتة. وهذا يلغي أي إمكانية لتحولات موضع المزدوجات الحرارية وما ينتج عنها من اضطرابات في القياسات. وهذا يسمح أيضًا بتغيير المزدوجات الحرارية ونقاط التلامس الكهربائية بسهولة.
فحص الجودة
من الممكن إجراء فحص الجودة لكل من قياس الموصلية الكهربائية وتحديد معامل سيبيك. وبالتالي يمكن تحديد ما إذا كانت القيمة المقاسة صحيحة قبل كل قياس وكل خطوة من خطوات درجة الحرارة، أو ما إذا كانت القيمة المقاسة صحيحة أو الطقس، على سبيل المثال، مشاكل التلامس بين العينة والمزدوجات الحرارية أو بعض المشاكل الأخرى التي قد تكون قد زيفت القياس. وهذا يسمح بتحقيق دقة قياس عالية.
خصائص وتطبيقات مجالات استخدامات BiSeTe
ينتمي تيلورايد البزموت إلى مجموعة التيلورايد. وهو عبارة عن مسحوق رمادي اللون يُعرف أيضاً باسم تيلورايد البيموث (III). ويُصنَّف كأحد أشباه الموصلات ويمكن أن يُخلط مع الأنتيمون أو السيلينيوم. في هذه الحالة، تم استخدام عينات BiSeTe ذات التركيب الكيميائيBi2Se0،25Te2،75. وتبلغ كثافة هذه العينات 7.8 جم/سم مكعب (عينات قضبان) و7.82 جم/سم مكعب (عينات دائرية) على التوالي، وهي من النوع N للكهرباء الحرارية.
يوضح الشكل 3 شكل الجدارة للمواد الثلاث BiTe وPbTe وSiGe. يمكن ملاحظة أن مادة BiTe تُظهر الحد الأقصى لها بشكل رئيسي في نطاق درجات الحرارة المنخفضة؛ ولذلك، هذا هو المكان الذي يتم تطبيقها فيه. تُستخدم BiSeTe، على سبيل المثال، لوظيفة التبريد في المبردات المتنقلة.
القياسات على BiSeTe باستخدام SBA 458
التكرار
يمكن قياس كل من معامل سيبيك والتوصيل الكهربي ل BeSeTe بقابلية عالية للتكرار بواسطة SBA 458. لتحديد إمكانية التكرار، يتم قياس العينة بشكل متكرر في نفس الظروف، أي بنفس معلمات القياس. بعد كل قياس، يتم إخراج العينة وإدخال عينة جديدة. وكمثال على عينة BiSeTe، يعرض الشكلان 4 و5 سبعة قياسات لكل من معامل سيبيك والتوصيلية الكهربائية لعينة BiSeTe بأبعاد 3 × 1 × 15 (العرض × الارتفاع × الطول). وقد تم تحديد التكرار هنا بنسبة ± 2% فيما يتعلق بقياس معامل سيبيك، وبنسبة ± 1.5% فيما يتعلق بقياس التوصيلية الكهربائية. يمكن تأكيد هذه القيم عن طريق قياس عينات أخرى من BiSeTe (أي من أشكال هندسية أخرى) وكذلك عن طريق القياس على أجهزة SBA 458 الأخرى.
قابلية التكرار
باستخدام جهاز SBA 458، من الممكن قياس عينات BiSeTe بقابلية استنساخ عالية فيما يتعلق بمعامل سيبيك والتوصيل الكهربائي. وتنطبق قابلية التكرار العالية هذه بغض النظر عن اختلاف أشكال العينات الهندسية أو كمية كبيرة من العينات أو تنفيذ القياسات باستخدام أدوات SBA 458 المختلفة.
وكمثال على ذلك، تم قياس عينتين من BiSeTe بأشكال هندسية مختلفة. أتيحت عينة قضيب بأبعاد 3 × 1 × 15 مم (العرض × الارتفاع × الطول) وعينة قضيب بقطر 12.5 × 1 مم لهذا الاختبار. تم قياس كلتا العينتين ثلاث مرات لكل منهما وتمت مقارنة قيم معامل سيبيك والقيمة الكهربائية. نتج عن ذلك إمكانية استنساخ ± 2% لقياس كل من معامل سيبيك والتوصيل الكهربائي.
التوصية بمعايير القياس المناسبة
أُجريت جميع قياسات SBA 458 الموضحة هنا تحت النيتروجين بتدفق غاز قدره 50 مل/دقيقة. بالإضافة إلى ذلك، تم اختيار حقن تيار أقصى قدره 0.01 أمبير وجهد سخان 8 فولت كمعلمات قياس. وقد أثبتت هذه المعلمات أنها مناسبة لهندسة العينات المستخدمة (عينة قضيب 3 × 1 × 15 مم، وعينة مستديرة بقطر 12.5 × 1 مم).
نظرًا لأن معلمات القياس سيتم تعديلها جزئيًا كدالة لمادة العينة وهندستها، سيتم تقديم بعض النصائح والتوصيات لاختيار معلمات القياس المناسبة فيما يلي. يتضمن ذلك جهد السخان الذي يتم من خلاله توليد تدرج درجة الحرارة في كلا اتجاهي العينة. بالإضافة إلى ذلك، يجب اختيار قيمة مناسبة للحد الأقصى لحقن التيار في العينة لتخدم قياس التوصيلية الكهربائية. علاوة على ذلك، سيتم عرض الغازات المناسبة لقياس عينات BiSeTe.
جهد السخان
من أجل القياس الصحيح لمعامل سيبيك، يجب توخي الحذر عند اختيار جهد السخان بحيث يتم توليد تدرج درجة حرارة كافٍ (التوصية: ± دلتا T بحد أدنى 3 كلفن). يمكن أن يختلف ذلك اعتمادًا على هندسة العينة. لا يلزم أخذ معايير أخرى في الاعتبار.
الحقن الحالي
كما هو الحال مع اختيار جهد السخان، يجب أن تؤخذ هندسة العينة في الاعتبار عند تحديد الحد الأقصى لحقن التيار. عند اختيار قيمة مناسبة للحقن الحالي، يجب بالتالي مراعاة مسألتين: من ناحية، يجب ألا يكون حقن التيار مرتفعًا بما يكفي لتسخين العينة، ولكن من ناحية أخرى، يجب أن يكون التيار المحدد مرتفعًا بما يكفي للسماح بقياس الجهد. يمكن التحقق من ذلك من خلال إلقاء نظرة على الرسم البياني بالقيم الفردية في البرنامج. وهناك، يمكن رؤية كل من قيم التيار الثلاثة الموجبة والسالبة (كل منها 1/3 و2/3 و3/3 من Imax) إلى جانب الفولتية المقاسة على التوالي. إذا أمكن التعرف على علاقة خطية بين التيار المحقون، I، والجهد المقاس، U، فيمكن عندئذٍ قياس قيمة توصيلية كهربائية ذات معنى.
الغازات
لقياس عينة BiSeTe، يكون أي من الغازات المسموح بها في مواصفات SBA 458 مناسبًا.
الملخص
بالنسبة إلى BiSeTeTe، يمكن قياس معامل سيبيك بنسبة تكرار ± 2% والتوصيل الحراري بنسبة تكرار ± 1.5% بواسطة SBA 458.
يمكن تحقيق قياس معامل سيبيك وكذلك الموصلية الحرارية ل BiSeTe بقابلية تكرار ± 2% لكل منهما. تنطبق قابلية التكرار العالية هذه بغض النظر عن اختلاف الأشكال الهندسية للعينات أو كمية كبيرة من العينات أو تنفيذ القياسات باستخدام أدوات SBA 458 المختلفة.