Úvod
Tato aplikační poznámka se zabývá analýzou materiálu BiTeSe pomocí přístroje Elektrická vodivost (SBA)Elektrická vodivost je fyzikální vlastnost udávající schopnost materiálu přenášet elektrický náboj. SBA 458 Nemesis® (obrázek 1). Přístroj Elektrická vodivost (SBA)Elektrická vodivost je fyzikální vlastnost udávající schopnost materiálu přenášet elektrický náboj. SBA 458 umožňuje měření Seebeckova koeficientu i elektrické vodivosti BiTeSe s vysokou reprodukovatelností a přesností měření. To je demonstrováno na mnoha příkladech měření v následujících kapitolách. Kromě toho jsou uvedena užitečná doporučení pro nastavení parametrů měření.
Konstrukce SBA 458 Nemesis®
S přístrojem Elektrická vodivost (SBA)Elektrická vodivost je fyzikální vlastnost udávající schopnost materiálu přenášet elektrický náboj. SBA 458 Nemesis® lze současně měřit Seebeckův koeficientSeebeckův koeficient je poměr indukovaného termoelektrického napětí a rozdílu teplot mezi dvěma body na elektrickém vodiči.Seebeckův koeficient a elektrickou vodivost. Na obrázku 2 je znázorněno schéma přístroje Elektrická vodivost (SBA)Elektrická vodivost je fyzikální vlastnost udávající schopnost materiálu přenášet elektrický náboj. SBA 458. Vzorek leží vodorovně na podložce pro vzorky. Vlevo a vpravo jsou v keramickém nosiči vzorku umístěna topná tělesa, pomocí nichž lze vytvořit teplotní gradient v obou směrech vzorku. Termočlánky jsou umístěny pod spodním povrchem vzorku. Ty měří termoelektrické napětí generované teplotním gradientem. Na jeho základě lze vypočítat Seebeckův koeficientSeebeckův koeficient je poměr indukovaného termoelektrického napětí a rozdílu teplot mezi dvěma body na elektrickém vodiči.Seebeckův koeficient. Vedle termočlánků pod spodním povrchem vzorku jsou umístěny elektrické kontaktní body, které se používají k zavedení proudu do vzorku. Výsledné napětí se měří pomocí nožiček termočlánků. Na základě těchto informací spolu s korekčními funkcemi pro geometrii vzorku lze vypočítat elektrickou vodivost.
Klíčové vlastnosti SBA 458 Nemesis®
Elektrická vodivost (SBA)Elektrická vodivost je fyzikální vlastnost udávající schopnost materiálu přenášet elektrický náboj. SBA 458 Nemesis® má několik klíčových vlastností, které budou stručně popsány v následujícím textu. S podrobným popisem jednotlivých pojmů vám rád pomůže náš obchodní zástupce.
Zapojení a měření
Pomocí přístroje Elektrická vodivost (SBA)Elektrická vodivost je fyzikální vlastnost udávající schopnost materiálu přenášet elektrický náboj. SBA 458 lze měřit různé geometrie vzorků. Patří mezi ně kulaté vzorky, tyčové vzorky, tenké vrstvy, povlaky a typické vzorky LFA. Výměna vzorků je rychlý a nekomplikovaný postup. Odpadá tak těžkopádné intervalové měření nebo jiné složité pracovní kroky.
Robustní systém
Plášť na termočláncích (typ K, inconelový povlak zabraňuje reakci nebo kontaminaci vzorku a termočlánku. Kromě toho jsou termočlánky a elektrické kontaktní body pevně připojeny. Tím je vyloučena jakákoli možnost posunu polohy termočlánků a z toho plynoucí poruchy měření. To také umožňuje snadnou výměnu termočlánků a elektrických kontaktních bodů.
Kontrola kvality
Kontrolu kvality je možné provádět jak u měření elektrické vodivosti, tak u stanovení Seebeckova koeficientu. Před každým měřením a každým teplotním krokem tak lze zjistit, zda je naměřená hodnota správná, nebo zda například problémy s kontakty mezi vzorkem a termočlánky nebo jiný problém mohly měření zfalšovat. To umožňuje dosáhnout vysoké přesnosti měření.
Vlastnosti a aplikace BiSeTe
Telurid vizmutu patří do skupiny teluridů. Je to šedý prášek známý také jako telurid bimutu(III). Řadí se mezi polovodiče a může být legován antimonem nebo selenem. V tomto případě byly použity vzorky BiSeTe s chemickým složením Bi2Se0,25Te2,75. Tyto vzorky mají hustotu 7,8 g/cm³ (tyčové vzorky), resp. 7,82 g/cm³ (kulaté vzorky) a patří mezi termoelektrika typu N.
Na obrázku 3 jsou znázorněny grafy výhodnosti tří materiálů BiTe, PbTe a SiGe. Je vidět, že BiTe vykazuje své maximum především v nižším teplotním rozsahu, proto se uplatňuje právě zde. BiSeTe se používá například pro chladicí funkci mobilních chladičů.
Měření na BiSeTe pomocí přístroje SBA 458
Opakovatelnost
Seebeckův koeficientSeebeckův koeficient je poměr indukovaného termoelektrického napětí a rozdílu teplot mezi dvěma body na elektrickém vodiči.Seebeckův koeficient i elektrickou vodivost BeSeTe lze pomocí přístroje Elektrická vodivost (SBA)Elektrická vodivost je fyzikální vlastnost udávající schopnost materiálu přenášet elektrický náboj. SBA 458 měřit s vysokou opakovatelností. Pro stanovení opakovatelnosti se vzorek opakovaně měří za stejných podmínek, tj. se stejnými parametry měření. Po každém měření se vzorek vyjme a nově vloží. Jako příklad pro vzorek BiSeTe je na obrázcích 4 a 5 uvedeno sedm měření jak Seebeckova koeficientu, tak elektrické vodivosti pro vzorek BiSeTe o rozměrech 3 x 1 x 15 (š x v x d). Opakovatelnost byla stanovena na ± 2 %, pokud jde o měření Seebeckova koeficientu, a na ± 1,5 %, pokud jde o měření elektrické vodivosti. Tyto hodnoty lze potvrdit měřením jiných vzorků BiSeTe (tj. jiných geometrií) a také měřením na jiných přístrojích Elektrická vodivost (SBA)Elektrická vodivost je fyzikální vlastnost udávající schopnost materiálu přenášet elektrický náboj. SBA 458.
Reprodukovatelnost
Pomocí přístroje SBA 458 je možné měřit vzorky BiSeTe s vysokou reprodukovatelností, pokud jde o Seebeckův koeficientSeebeckův koeficient je poměr indukovaného termoelektrického napětí a rozdílu teplot mezi dvěma body na elektrickém vodiči.Seebeckův koeficient a elektrickou vodivost. Tato vysoká reprodukovatelnost platí bez ohledu na rozdílnou geometrii vzorků, large množství vzorků nebo provádění měření s různými přístroji SBA 458.
Jako příklad lze uvést měření dvou vzorků BiSeTe s různou geometrií. Pro tento test byl k dispozici tyčový vzorek o rozměrech 3 x 1 x 15 mm (š x v x d) a tyčový vzorek o průměru 12,5 x 1 mm. Oba vzorky byly změřeny vždy třikrát a byly porovnány hodnoty Seebeckova koeficientu a elektrické hodnoty. Tím se dosáhlo reprodukovatelnosti ± 2 % pro měření jak Seebeckova koeficientu, tak elektrické vodivosti.
Doporučení vhodných parametrů měření
Všechna zde uvedená měření SBA 458 byla provedena pod dusíkem s průtokem plynu 50 ml/min. Kromě toho byly jako parametry měření zvoleny maximální vstřikovaný proud 0,01 A a napětí ohřívače 8 V. Tyto parametry se ukázaly jako vhodné pro použité geometrie vzorků (tyčový vzorek 3 x 1 x 15 mm, kulatý vzorek o průměru 12,5 x 1 mm).
Vzhledem k tomu, že parametry měření je třeba částečně upravit v závislosti na materiálu a geometrii vzorku, bude v následujícím textu uvedeno několik rad a doporučení pro výběr vhodných parametrů měření. Patří sem napětí ohřívače, kterým se vytváří teplotní gradient v obou směrech vzorku. Kromě toho by měla být zvolena vhodná hodnota maximálního proudu vstřikovaného do vzorku, který bude sloužit k měření elektrické vodivosti. Dále bude ukázáno, které plyny jsou vhodné pro měření vzorků BiSeTe.
Napětí ohřívače
Pro správné měření Seebeckova koeficientu je třeba při volbě napětí ohřívače dbát na to, aby byl vytvořen dostatečný teplotní gradient (doporučení: ± delta T minimálně 3 K). Ten se může lišit v závislosti na geometrii vzorku. Další kritéria není třeba brát v úvahu.
Vstřikování proudu
Stejně jako při volbě napětí ohřívače je třeba při určování maximálního vstřikovaného proudu vzít v úvahu geometrii vzorku. Při volbě vhodné hodnoty vstřikovaného proudu je tedy třeba mít na paměti dvě otázky: Na jedné straně by vstřikovaný proud neměl být dostatečně vysoký, aby zahřál vzorek, na druhé straně však musí být zvolený proud dostatečně vysoký, aby umožnil měření napětí. To lze zkontrolovat pohledem na diagram s jednotlivými hodnotami v softwaru. Tam lze vidět každou ze tří kladných a záporných hodnot proudu (vždy 1/3, 2/3 a 3/3 Imax) spolu s příslušnými naměřenými napětími. Pokud lze rozpoznat lineární vztah mezi přiváděným proudem I a měřeným napětím U, pak lze změřit smysluplnou a významnou hodnotu elektrické vodivosti.
Plyny
Pro měření vzorku BiSeTe je vhodný kterýkoli z plynů povolených ve specifikacích přístroje SBA 458.
Souhrn
U BiSeTe lze pomocí přístroje SBA 458 měřit Seebeckův koeficientSeebeckův koeficient je poměr indukovaného termoelektrického napětí a rozdílu teplot mezi dvěma body na elektrickém vodiči.Seebeckův koeficient s opakovatelností ±2 % a tepelnou vodivost s opakovatelností ±1,5 %.
Měření Seebeckova součinitele i tepelné vodivosti BiSeTe lze provádět s opakovatelností ± 2 %. Tato vysoká reprodukovatelnost platí bez ohledu na rozdílnou geometrii vzorků, large množství vzorků nebo provádění měření různými přístroji SBA 458.