Introduktion
Denne applikationsnote dækker analysen af BiTeSe-materiale ved hjælp af Elektrisk ledningsevne (SBA)Elektrisk ledningsevne er en fysisk egenskab, der angiver et materiales evne til at tillade transport af en elektrisk ladning.SBA 458 Nemesis® (figur 1). Elektrisk ledningsevne (SBA)Elektrisk ledningsevne er en fysisk egenskab, der angiver et materiales evne til at tillade transport af en elektrisk ladning.SBA 458 gør det muligt at måle både Seebeck-koefficienten og den elektriske ledningsevne for BiTeSe med høj reproducerbarhed og målenøjagtighed. Dette demonstreres ved hjælp af talrige måleeksempler i de følgende afsnit. Derudover gives der nyttige anbefalinger til justering af måleparametrene.
Design af SBA 458 Nemesis®
Med Elektrisk ledningsevne (SBA)Elektrisk ledningsevne er en fysisk egenskab, der angiver et materiales evne til at tillade transport af en elektrisk ladning.SBA 458 Nemesis® kan Seebeck-koefficienten og den elektriske ledningsevne måles samtidigt. Figur 2 viser det skematiske design af Elektrisk ledningsevne (SBA)Elektrisk ledningsevne er en fysisk egenskab, der angiver et materiales evne til at tillade transport af en elektrisk ladning.SBA 458. Prøven ligger vandret på prøvestøtten. Til venstre og højre er der varmelegemer i den keramiske prøvestøtte, med hvilke der kan genereres en temperaturgradient i begge prøveretninger. Termoelementerne er placeret under prøvens nedre overflade. De måler den termoelektriske spænding, der genereres af temperaturgradienten. Baseret på dette kan Seebeck-koefficienten beregnes. Ved siden af termoelementerne under den nederste prøveoverflade er der elektriske kontaktpunkter, som bruges til at sende strøm ind i prøven. Den resulterende spænding måles ved hjælp af termoelementernes ben. Ved at bruge disse oplysninger sammen med korrektionsfunktionerne for prøvegeometri kan den elektriske ledningsevne beregnes.
Nøglefunktioner i SBA 458 Nemesis®
SBA 458 Nemesis® har nogle nøglefunktioner, som kort vil blive diskuteret i det følgende. Hvis du vil have en detaljeret beskrivelse af de enkelte vilkår, hjælper vores salgsrepræsentant dig gerne.
Sæt stikket i og mål
En række forskellige prøvegeometrier kan måles med SBA 458. Disse omfatter runde prøver, stangprøver, tynde lag, belægninger og typiske LFA-prøver. Udskiftning af prøver er en hurtig og ukompliceret procedure. Besværlige intervalmålinger eller andre komplicerede arbejdstrin er elimineret.
Robust system
Termoelementernes kappe (type K, inconel-belægning) forhindrer reaktion eller kontaminering af prøven og termoelementet. Desuden er termoelementerne og de elektriske kontaktpunkter faste. Dette eliminerer enhver mulighed for positionsskift for termoelementerne og deraf følgende forstyrrelser af målingerne. Det gør det også nemt at udskifte termoelementer og elektriske kontaktpunkter.
Kvalitetskontrol
Det er muligt at udføre et kvalitetstjek for både måling af den elektriske ledningsevne og bestemmelse af Seebeck-koefficienten. Før hver måling og hvert temperaturtrin kan det således afgøres, om den målte værdi er korrekt, eller om f.eks. kontaktproblemer mellem prøven og termoelementerne eller andre problemer kan have forfalsket målingen. Dette gør det muligt at opnå en høj målenøjagtighed.
Egenskaber og anvendelsesområder for BiSeTe
Bismuth-tellurid hører til telluridgruppen. Det er et gråt pulver, også kendt som bimuth(III)-tellurid. Det er kategoriseret som en halvleder og kan legeres med antimon eller selen. I dette tilfælde blev der anvendt BiSeTe-prøver med den kemiske sammensætning Bi2Se0,25Te2,75. Disse prøver har en massefylde på henholdsvis 7,8 g/cm³ (stangprøver) og 7,82 g/cm³ (runde prøver) og er termoelektriske stoffer af type N.
Figur 3 viser Figure of Merit for de tre materialer BiTe, PbTe og SiGe. Man kan se, at BiTe hovedsageligt udviser sit maksimum i det lavere temperaturområde, og det er derfor her, det anvendes. BiSeTe bruges f.eks. til kølefunktionen i mobile kølere.
Målinger på BiSeTe med SBA 458
Repeterbarhed
Både Seebeck-koefficienten og den elektriske ledningsevne for BeSeTe kan måles med høj repeterbarhed ved hjælp af SBA 458. For at bestemme repeterbarheden måles en prøve gentagne gange under de samme betingelser, dvs. med de samme måleparametre. Efter hver måling tages prøven ud og indsættes på ny. Som et eksempel på BiSeTe-prøven viser figur 4 og 5 syv målinger af både Seebeck-koefficienten og den elektriske ledningsevne for BiSeTe-prøven med dimensionerne 3 x 1 x 15 (b x h x l). Repeterbarheden blev her bestemt til at være på ± 2 % med hensyn til måling af Seebeck-koefficienten og på ± 1,5 % med hensyn til måling af den elektriske ledningsevne. Disse værdier kan bekræftes ved at måle andre BiSeTe-prøver (dvs. med andre geometrier) samt ved at måle på andre SBA 458-instrumenter.
Reproducerbarhed
Med SBA 458 er det muligt at måle BiSeTe-prøver med høj reproducerbarhed, hvad angår Seebeck-koefficienten og den elektriske ledningsevne. Denne høje reproducerbarhed gælder uanset forskellige prøvegeometrier, en large mængde prøver eller gennemførelsen af målinger med forskellige SBA 458-instrumenter.
Som et eksempel på dette blev to BiSeTe-prøver med forskellige geometrier målt. En stangprøve med dimensionerne 3 x 1 x 15 mm (b x h x l) og en stangprøve med en diameter på 12,5 x 1 mm var til rådighed for denne test. Begge prøver blev målt tre gange hver, og værdierne for Seebeck-koefficienten og den elektriske værdi blev sammenlignet. Dette gav en reproducerbarhed på ± 2 % for måling af både Seebeck-koefficienten og den elektriske ledningsevne.
Anbefaling af egnede måleparametre
Alle SBA 458-målinger, der er vist her, blev udført under nitrogen med en gasstrøm på 50 ml/min. Desuden blev der valgt en maksimal strømindsprøjtning på 0,01 A og en varmespænding på 8 V som måleparametre. Disse parametre har vist sig at være egnede til de anvendte prøvegeometrier (stangprøve 3 x 1 x 15 mm, rund prøve med en diameter på 12,5 x 1 mm).
Da måleparametrene til dels skal justeres som en funktion af prøvematerialet og -geometrien, vil der i det følgende blive givet nogle tips og anbefalinger til valg af passende måleparametre. Dette omfatter spændingen på varmelegemet, hvormed der genereres en temperaturgradient i begge prøveretninger. Derudover skal der vælges en passende værdi for den maksimale strømindsprøjtning i prøven til brug for måling af den elektriske ledningsevne. Desuden vil det blive vist, hvilke gasser der er egnede til måling af BiSeTe-prøverne.
Varmeapparatets spænding
For korrekt måling af Seebeck-koefficienten skal man ved valg af varmespænding sørge for, at der genereres en tilstrækkelig temperaturgradient (anbefaling: ± Delta T på mindst 3 K). Dette kan variere afhængigt af prøvegeometrien. Det er ikke nødvendigt at tage hensyn til yderligere kriterier.
Indsprøjtning af strøm
Ligesom ved valg af varmespænding skal prøvegeometrien tages i betragtning, når den maksimale strømindsprøjtning bestemmes. Når man vælger en passende værdi for strømindsprøjtningen, skal man derfor være opmærksom på to ting: På den ene side må strømindsprøjtningen ikke være høj nok til at opvarme prøven, men på den anden side skal den valgte strøm være høj nok til at muliggøre måling af spændingen. Dette kan kontrolleres ved at kaste et blik på diagrammet med de enkelte værdier i softwaren. Der kan hver af de tre positive og negative strømværdier (hver 1/3, 2/3 og 3/3 af Imax) ses sammen med de respektive målte spændinger. Hvis der kan genkendes et lineært forhold mellem den tilførte strøm, I, og den målte spænding, U, kan der måles en meningsfuld værdi for Elektrisk ledningsevne (SBA)Elektrisk ledningsevne er en fysisk egenskab, der angiver et materiales evne til at tillade transport af en elektrisk ladning.elektrisk ledningsevne.
Gasser
Til måling af en BiSeTe-prøve er enhver af de gasser, der er tilladt i specifikationerne for SBA 458, velegnet.
Sammenfatning
For BiSeTe kan Seebeck-koefficienten måles med en gentagelsesnøjagtighed på ± 2 % og varmeledningsevnen med en gentagelsesnøjagtighed på ± 1,5 % ved hjælp af SBA 458.
Måling af Seebeck-koefficienten såvel som varmeledningsevnen for BiSeTe kan gennemføres med en reproducerbarhed på ± 2 % hver. Denne høje reproducerbarhed gælder uanset forskellige prøvegeometrier, en large mængde prøver eller gennemførelse af målinger med forskellige SBA 458-instrumenter.