МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕРМОЭДС
И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Бурков Александр Трофимович, Федотов Андрей Игоревич, Касьянов Александр Александрович, Пантелеев Руслан Игоревич, Накама  Такао

doi:10.17586/2226-1494-2015-15-2-173-195

2015 , ТОМ 15, НОМЕР 2 ( март-апрель )

ISSN 2226-1494 (print), ISSN 2500-0373 (online)

Меню

Публикации

Главный редактор

НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор

Партнеры

doi: 10.17586/2226-1494-2015-15-2-173-195

УДК 53.082.72/.78

МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕРМОЭДС И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Бурков А.Т., Федотов А.И., Касьянов А.А., Пантелеев Р.И., Накама Т.

Читать статью полностью

Язык статьи - Русский

Ссылка для цитирования: Бурков А.Т., Федотов А.И., Касьянов А.А., Пантелеев Р.И., Накама Т. Методы и устройства измерения термоЭДС и электропроводности термоэлектрических материалов при высоких температурах // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Том 15. № 2. С. 173–195.

Аннотация

Представлен обзор принципов и современных методов измерения термоЭДС и электропроводности при высоких (100–1000К) температурах. Эти два параметра определяют так называемый фактор мощности термоэлек - трических материалов, а в комбинации с коэффициентом теплопроводности – и эффективность термоэлектрического преобразования. Несмотря на принципиальную простоту методик измерения этих свойств, их практическая реализация, особенно при высоких температурах , сопряжена со значительными трудностями. Это часто приводит к большим погрешностям в определении свойств, затрудняет сопоставление результатов, полученных в разных лабораториях , и реалистическую оценку потенциальной термоэлектрической эффективности новых материалов. Дополнительным затруднением является отсутствие общепринятого стандартного материала с надежно определенными термоэлектри - ческими параметрами, в частности – термоЭДС. Поэтому особенно важным является четкое понимание возможно - стей и ограничений различных методов измерения свойств. В обзоре даны определения термоэлектрических пара - метров, принципы их экспериментального определения и проанализированы метрологические характеристики со - временных экспериментальных устройств для определения этих свойств при высоких температурах.

Ключевые слова: двулучепреломление, поляризация, аберрации, функция рассеяния точки

Список литературы

1. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников. М.: Советское радио, 1967. 452 с.

2. Anatychuk L.I. On the discovery of thermoelectricity by Volta // Journal of Thermoelectricity. 2004. N 2. P. 5–10.

3. Иоффе А.Ф., Стильбанс Л.С., Иорданишвили Е.К., Ставицкая Т.С. Термоэлектрическое охлаждение. М.-Л.: Изд-во Академии НаукСССР1956. 112 с.

4. Иоффе А.Ф. Физика полупроводников. М.: Изд-во Академии Наук СССР, 1957. 108 с.

5. Ioffe A.F. Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling. London: Infosearch, 1957. 184 p.

6. Манасян Ю.Г. Судовые термоэлектрические устройства и установки. Л.: Судостроение, 1968. 285 с.

7. Най Дж. Физические свойства кристаллов и их описание с помощью тензоров и матриц. М.: Изд-во иностранной литературы, 1960. 386 с.

8. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Курс теоретической физики. Т. 10. Физическая кинетика. М.: Наука, 1979. 528 с.

9. Barnard R.D. Thermoelectricity in Metals and Alloys. London: Taylor & Francis ltd., 1972.

10. Bowler N. Theory of four-point direct-current potential drop measurements on a metal plate // Research in Nondestructive Evaluation. 2006. V. 17. N 1. P. 29–48. doi: 10.1080/09349840600582092

11. Bowler N. Four-point potential drop measurements for materials characterization // Measurement Science and Technology. 2011. V. 22. N 1. Art. 012001. doi: 10.1088/0957-0233/22/1/012001

12. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. 2-е изд. М.: Высшая Школа, 1987. 239 с.

13. van der Pauw L.J. A method of measuring specific resistivity and Hall effect of disks of arbitrary shape // Philips Research Reports. 1958. V. 13. N 1. P. 1–9.

14. van der Pauw L.J. A method of measuring specific resistivity and Hall effect of lamellae of arbitrary shape // Philips Technical Review. 1958. V. 20. N 8. P. 220–224.

15. Webster J.G. The Measurement, Instrumentation, and Sensors. Handbook. CRC-Press, 1999. 1500 p.

16. Конторович M.И. Операционное исчисление и нестационарные явления в электрических цепях. 2-е изд. М.-Л.: ГИТТЛ, 1955. 230 с.

17. Borelius G., Keesom W.H., Johansson C.H., Linde J.O. Establishment of an absolute scale for the thermoelectric force // Proc. Kon. Akad. Amsterdam. 1932. V. 35. P. 10–14.

18. Nystrom J. Themospannungen. Landolt-Bornstein: Zahlenwerte und Funktionen. Berlin: Springer, 1959. V. 2. P. 930–977.

19. Borelius G., Keesom W.H., Johansson C.H. Measurement of the thermo-electric Thomson effect down to the temperature of liquid hydrogen // Commun. Phys. Lab. Leiden. 1928. V. 31. N 10. P. 1046–1058.

20. Руднитский А.А. Термоэлектрические свойства благородных металлов и их сплавов. М.: Изд-во АH СССР, 1956. 148 с.

21. Cusack N., Kendall P. The absolute scale of thermoelectric power at high temperatures // Proceedings of the Physical Society. 1958. V. 72. N 5. P. 898–901. doi: 10.1088/0370-1328/72/5/429

22. Lander J.J. Measurements of Thomson coefficients for metals at high temperatures and of Peltier coefficients for solid-liquid interfaces of metals // Physical Review. 1948. V. 74. N 4. P. 479–488. doi: 10.1103/PhysRev.74.479

23. Roberts R.B. Absolute scale of thermoelectricity // Philosophical Magazine. 1977. V. 36. N 1. P. 91–107.

24. Roberts R.B. Absolute scale of thermoelectricity II // Philosophical Magazine. 1981. V. 43. N 6. P. 1125–1135.

25. Roberts R.B., Righini F., Compton R.C. Absolute scale of thermoelectricity III // Philosophical Magazine. 1985. V. 52. N 6. P. 1147–1163.

26. Burkov A.T., Heinrich A., Konstantinov P.P., Nakama T., Yagasaki K. Experimental set-up for thermopower and resistivity measurements at 100-1300 K // Measurement Science and Technology. 2001. V. 12. N 3. P. 264–272. doi: 10.1088/0957-0233/12/3/304

27. Moore J.P., Graves R.S. Absolute Seebeck coefficient of platinum from 80 to 340 K and the thermal and electrical conductivities of lead from 80 to 400 K // Journal of Applied Physics. 1973. V. 44. N 3. P. 1174–1178. doi: 10.1063/1.1662324

28. Burkov A.T. Measurements of resistivity and thermopower: principles and practical realization // Thermoelectric Handbook: Macro to Nano / Ed. D.M. Rowe. London-NY: CRC Press, 2006. P. 22-1-12 .

29. Horne R.A. Errors associated with thermoelectric power measurements using small temperature differences // Review of Scientific Instruments. 1960. V. 31. N 4. P. 459–460. doi: 10.1063/1.1717013

30. Testardi L.R., McConnell G.K. Measurement of the Seebeck coefficient with small temperature differences // Review of Scientific Instruments. 1961. V. 32. N 9. P. 1067–1068. doi: 10.1063/1.1717624

31. Berglund C.N., Beairsto R.C. An automatic technique for accurate measurements of seebeck coefficient // Review of Scientific Instruments. 1967. V. 38. N 1. P. 66–68. doi: 10.1063/1.1720530

32. Aubin M., Ghamlouch H., Fournier P. Measurement of the Seebeck coefficient by an ac technique: application to high-temperature superconductors // Review of Scientific Instruments. 1993. V. 64. N 10. P. 2938–2941. doi: 10.1063/1.1144387

33. Resel R., Gratz E., Burkov A.T., Nakama T., Higa M., Yagasaki K. Thermopower measurements in magnetic fields up to 17 tesla using the toggled heating method // Review of Scientific Instruments. 1996. V. 67. N 5. P. 1970–1075.

34. Caskey G.R., Sellmyer D.J., Rubin L.G. A Technique for the rapid measurement of thermoelectric power // Review of Scientific Instruments. 1969. V. 40. N 10. P. 1280–1282. doi: 10.1063/1.1683764

35. Chaikin P.M., Kwak J.F. Apparatus for thermopower measurements on organic conductors // Review of Scientific Instruments. 1975. V. 46. N 2. P. 218–220. doi: 10.1063/1.1134171

36. Putti M., Cimberle M.R., Canesi A., Foglia C., Siri A.S. Thermopower measurements of high-temperature superconductors: experimental artifacts due to applied thermal gradient and a technique for avoiding them // Physical Review B – Condensed Matter and Materials Physics. 1998. V. 58. N 18. P. 12344–12349.

37. Chen F., Cooley J.C., Hults W.L., Smith J.L. Low-frequency ac measurement of the Seebeck coefficient // Review of Scientific Instruments. 2001. V. 72. N 11. P. 4201–4206. doi: 10.1063/1.1406930

38. Wood C., Zoltan D., Stapfer G. Measurement of Seebeck coefficient using a light pulse // Review of Scientific Instruments. 1985. V. 56. N 5. P. 719–722. doi: 10.1063/1.1138213

39. D’Angelo J., Downey A., Hoganc T. Temperature dependent thermoelectric material power factor measurement system // Review of Scientific Instruments. 2010. V. 81. Art. 075107. doi: 10.1063/1.3465326

40. Ravichandran J., Kardel J.T., Scullin M.L., Bahk J.-H., Heijmerikx H., Bowers J.E., Majumdar A. An apparatus for simultaneous measurement of electrical conductivity and thermopower of thin films in the temperature range of 300-750 К // Review of Scientific Instruments. 2011. V. 82. N 1. Art. 015108.

41. Бурков А.Т., Двуниткин В.Г. Простой металлический держатели для высокотемпературных измере- ний термоЭДС и электрического сопротивления // Приборы и техника эксперимента. 1985. № 5. С. 210–211.

42. Петров А.В. Методика измерения теплопроводности полупроводников при высоких температурах / В кн.: Термоэлектрические свойства полупроводников. М.: Академия Наук СССР, 1963. С. 27–35.

43. Dasgupta Т., Umarji A.M. Apparatus to measure high-temperature thermal conductivity and thermoelectric power of small specimens // Review of Scientific Instruments. 2005. V. 76. N 9. Art. 094901. doi: 10.1063/1.2018547

44. Zhou Z., Uher C. Apparatus for Seebeck coefficient and electrical resistivity measurements of bulk thermoelectric materials at high temperature // Review of Scientific Instruments. 2005. V. 76. P. 023901-1–023901-5. doi: 10.1063/1.1835631

45. Iwanaga S., Toberer E.S., LaLonde A., Snyder E.S. A high temperature apparatus for measurement of the Seebeck coefficient // Review of Scientific Instruments. 2011 V. 82. N 6. Art. 063905. doi: 10.1063/1.3601358

46. Byl C., Berardan D., Dragoe N. Experimental setup for measurements of transport properties at high temperature and under controlled atmosphere. Measurement Science and Technology, 2012, vol. 23, no. 3, art. 035603. doi: 10.1088/0957-0233/23/3/035603

47. Martin J., Tritt Т., Uher C. High temperature Seebeck coefficient metrology. Journal of Applied Physics, 2010, vol. 108, no. 12, art. 121101. doi: 10.1063/1.3503505

48. Polvani D.A., Meng J.F., Hasegawa M., Badding J.V. Measurement of the thermoelectric power of very small samples at ambient and high pressures. Review of Scientific Instruments, 1999, vol. 70, no. 9, pp. 3586–3589.

49. Polvani D.A., Fei Y., Meng J.F., Badding J.V. A technique for thermoelectric power measurements at high pressure in an octahedral multianvil press. Review of Scientific Instruments, 2000, vol. 71, no. 8, pp. 3138–3140.

50. Choi E.S., Kang H., Jo Y.J., Kang W. Thermoelectric power measurement under hydrostatic pressure using a self-clamped pressure cell. Review of Scientific Instruments, 2002, vol. 73, no. 8, pp. 2999–3002. doi: 10.1063/1.1489076

51. Mun E., Bud'ko S.L., Torikachvili M.S., Canfield P.C. Experimental setup for the measurement of the thermoelectric power in zero and applied magnetic field. Measurement Science and Technology, 2010, vol. 21, no. 5, art. 055104. doi: 10.1088/0957-0233/21/5/055104

52. Yuan B., Tao Q., Zhao X., Cao K., Cui T., Wang X., Zhu P. In situ measurement of electrical resistivity and Seebeck coefficient simultaneously at high temperature and high pressure. Review of Scientific Instruments, 2014, vol. 85, no. 1, art. 013304. doi: 10.1063/1.4862654

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License