热电材料的电学性能

一、 实验目的

1. 通过实验了解热电材料的Seebeck 系数和电阻率的测定方法；

2. 测量在特定温度范围内热电材料电学电学性能随温度的变化关系；

3. 结合实验结果分析并热电材料电功率因子与温度的关系。

二、 实验原理

1. 塞贝克系数

塞贝克效应是材料的一个物理性能，是一种由电流引起的可逆热效应或者说是温度差引起的

电效应，其示意图如下:

对于两种不同的导体串联组成的回路，在导体b 的开路位置y 和z 之间，将会有一个电位差，

称为热电动势，数值是：

yz ab 12V ()T T α=-，当∆T 不是很大时，ab α为常数，定义为两种导体

的相对Seebeck 系数，即 0lim //ab yz yz T V T dV dT α∆→=∆=（1）

Seebeck 系数常用的单是uV/K,

Seebeck 系数的测量原理如下图所示，1、3和2、4分别是NiCr 和NiSi 热电偶臂。测量时两

段温差保持10℃，S 两端存在温差时会产生热电势差Vs ，相对于热电偶的其中一个电偶臂1、3

的Seebeck 系数为

13//sa s V T V T α=∆=∆

2.电阻率

从原理上讲，对电阻为R，长度为L，截面积为A的样品，电导率ρ=R(A/L)。然而，由于半导体热电材料通常电阻率较小，接触电阻相对较大，容易引入实验误差。实验中电阻率的测定采用下图所示的两探针原理以避免接触电阻的影响。电阻率测量在试样两端等温进行，当△T足够小时，才对样本施加测试电流，这是电阻R=V R/I const，

V R为样品两端电压探针的电压降，I const为恒流源电流，取一特定值。为消除附加的Seebeck电压影响，试验通过改变电流方向进行两次电压测量，取其平均值。得R值后，有公式ρ=R(A/L)算出其电阻率。

三、实验设备与装备

测量装置温度由AI-708P智能控制器控制。样品两端电压利用Agilent970A数据采集仪输入微机。

所用电源为恒流源。测量时抽真空以防样品氧化。

四、实验方法与步骤

1.实验样品的制备方法：

原料称量→悬浮熔炼→（快速凝固→）机械研磨→热压成型（获得样品）

2. 实验样品的安装

双眼中先将被测样品两端抛光，并真空镀银或覆盖银浆，形成欧姆接触，以保证样品与纯铜

夹具间的良好接触。

3. 热电性能的测定

夹好样品后抽真空，然后根据两个AI-708P 控制仪中事先设定的升温程序程序升温至不同的

温度，在每一个选定的温度，待温度稳定后才开始测量。

4. 数据处理得到的Seebeck 系数和电阻率

五、 实验结果处理

本次实验采用5#组数据。

S e e b e c k 系数( V /k )

温度 （K ）

1． 以Seebeck 系数对温度作图：

首先以直线拟合，获得结果为y=-52.1-0.176x

但是由图上各点位置看出，并非理想结果。误差较大。

再以二次曲线拟合，如图：

S e e b e c k 系数 （

μV /K ）温度 （K ）

可见曲线精确度高了不少，此时方程为

y=-188.87+0.54x-0.000935x 2

个人认为还是二次曲线比较理想一些。

电阻率对温度作图

电阻率 1/Ω温度 K

0.0000040.0000060.0000080.000010电阻率

1/Ω温度 K

^

公式为

此时曲线上的点主要集中于12个小区域，形成了12个点群。个人认为这张图只需要12各点即可以较好的表现出来。而且基于温度对称性原则降温过程可以相对省略，不予考虑。。

六、思考题

1 热电材料应用的主要方面有：热电发电和热电制冷。对遥远的深空探测器，采用放射性同位素作为热源的热电发电器(RTG)，已应用于卫星、太空飞船中，热电发电在工业余热、废热和低品味热温差发电方面也有很大的潜在应用。热电制冷已用于很多领域。除冰箱、空调、饮水机等家用电器外，热电制冷更重要的应用是信息技术领域，如红外探测器、激光器、计算机芯片等。

2 产生Seebeck效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果。例如p型半导体，由于其热端空穴的浓度较高，则空穴便从高温端向低温端扩散；在开路情况下，就在p型半导体的两端形成空间电荷（热端有负电荷，冷端有正电荷），同时在半导体内部出现电场；当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势。自然，p型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端（Seebeck系数为正），相反，n 型半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端（Seebeck系数为负），因此利

用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型。

3误差主要来源接触电阻，电流大小分别引起的误差与附加的seebeck电压，虽取

平均值亦不能完全消除。系统固有误差，等等。