izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2023-8-67-72izmertech-1986Research ArticleТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯTHERMOPHYSIC MEASUREMENTSУстройство для измерения коэффициента Зеебека термоэлектрических материалов в диапазоне температур 300–800 КDevice for measuring the Seebeck coeffi cient of thermoelectric materials in the temperature range 300–800 Khttps://orcid.org/0000-0002-6576-4613КарповА. В.KarpovA. V.

Андрей Владиславович Карпов

г. Черноголовка, Московская область

Andrey V. Karpov

Chernogolovka, Moscow Region

kavan@ism.ac.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6774-2071СычевА. Е.SytschevA. E.

Александр Евгеньевич Сычев

г. Черноголовка, Московская область

Alexander E. Sytschev

Chernogolovka, Moscow Region

sytschev@ism.ac.ruhttps://orcid.org/0009-0000-7292-5887СиваковаА. О.SivakovaA. O.

Алина Олеговна Сивакова

г. Черноголовка, Московская область

Alina O. Sivakova

Chernogolovka, Moscow Region

sivakova@ism.ac.ruИнститут структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А. Г. Мержанова Российской академии наукРоссияMerzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science Russian Academy of SciencesRussian Federation202321092023086772Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1986

Описано определение потенциальных характеристик электрических свойств новых термоэлектрических материалов по результатам измерений коэффициента Зеебека. Разработано устройство для измерения коэффициента Зеебека (термоэлектродвижущей силы) термоэлектрических материалов в диапазоне температур 300–800 К в среде аргона, воздуха или в вакууме. Подробно описана конструкция и технические характеристики созданного устройства. Для проверки работоспособности разработанного устройства дифференциальным методом измерен коэффициент Зеебека эталонных образцов никеля в диапазоне температур 300–800 К в среде аргона. Погрешность измерений коэффициента Зеебека составляет менее 5 %. Во всём исследуемом интервале температур получены отрицательные значения коэффициента Зеебека никелевого образца, что свидетельствует о преобладании электронов как основных носителей заряда в материале образца. При комнатной температуре измеренный коэффициент Зеебека составляет –19,05 мкВ/К и с повышением температуры до 515 К уменьшается до –25,71 мкВ/К. При дальнейшем повышении температуры до 640 К коэффициент Зеебека монотонно увеличивается до значения  –19,60 мкВ/К. При температурах выше 640 К коэффициент Зеебека непрерывно уменьшается и при 824 К достигает значения –24,12 мкВ/К. Точка Кюри составляет 644 К. Полученные значения коэффициента Зеебека никеля в диапазоне температур 300–800 К сопоставимы с данными, приведёнными в литературе. При расчёте значений коэффициента Зеебека на основании измеренных термоэлектрических напряжений использованы уравнения с известными литературными значениями данного коэффициента для положительной и отрицательных ветвей термопары, что позволяет не привлекать дополнительные измерительные зонды и контакты для измерения термоэлектрического напряжения образца. Установку также можно применять при измерениях электрического сопротивления стандартным четырёхконтактным методом.  

The problem of identifying patterns that are associated with the features of the structure and phase composition of new thermoelectric materials obtained by self-propagating high-temperature synthesis is considered. A measuring device has been developed to determine the Seebeck coefficient (thermoelectric motive force) of thermoelectric materials in the temperature range of 300–800 K in argon, air or vacuum. The design of the measuring device is described in detail, the capabilities of the device and the measurement error (less than 5 %) are discussed. The thermoelectromotive force of reference nickel samples in the temperature range of 300–800 K in an argon medium was measured by a differential method. Negative values of the Seebeck coefficient of the nickel sample were obtained throughout the studied temperature range, which indicates the predominance of electrons as the main charge carriers in the sample material. At room temperature, the measured value of the Seebeck coefficient is –19.05 mkV/K and decreases to a value of –25.71 mkV/K with an increase in temperature to 515 K. With a further increase in temperature to 640 K, the Seebeck coefficient monotonically increases to a value of –19.60 mkV/K. At temperatures above 640 K, the Seebeck coefficient continuously decreases and at 824 K reaches a value of –24.12 mkV/K. The Curie point is 644 K. The obtained values of the Seebeck coefficient for nickel in the temperature range 300–800 K are comparable with the data given in the literature. When calculating the Seebeck coefficient of the material, equations are used using the Seebeck coefficient values for the positive and negative thermocouple paths, which eliminates the need for additional measuring probes and contacts to measure the thermoelectric voltage on the sample. The set-up can also be used to make electrical resistance measurements using the standard 4-point method.

коэффициент Зеебекатермоэлектрические материалытермопаразондSeebeck coeffi cientthermoelectric materialsthermocoupleprobeReferencesGoldsmid H. J. Introduction to Thermoelectricity. Springer Berlin, Heidelberg, 2016, 278 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-49256-7Goldsmid H. J. Introduction to Thermoelectricity. Springer Berlin, Heidelberg, 2016, 278 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-49256-7Wood C. Rep. Prog. Phys., 1988, vol. 51, no. 4, 459. https://doi.org/10.1088/0034-4885/51/4/001Wood C. Rep. Prog. Phys., 1988, vol. 51, no. 4, 459. https://doi.org/10.1088/0034-4885/51/4/001Nolas G. S., Sharp J., Goldsmid H. J. Thermoelectrics: Basic Principles New Materials Developments. Springer Berlin, Heidelberg, 2001, 293 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-04569-5Nolas G. S., Sharp J., Goldsmid H. J. Thermoelectrics: Basic Principles New Materials Developments. Springer Berlin, Heidelberg, 2001, 293 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-04569-5Бурков 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. Т. 15. № 2. С. 173–195. [Burkov A. T., Fedotov A. I., Kasyanov A. A., Panteleev R. I., Nakama T. Sci. Tech. J. Inf. Technol. Mech. Opt. 2015, vol. 15, no. 2, pp. 173–195 (In Russ.)] https://doi.org/10.17586/2226-1494-2015-15-2-173-195Бурков 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. Т. 15. № 2. С. 173–195. [Burkov A. T., Fedotov A. I., Kasyanov A. A., Panteleev R. I., Nakama T. Sci. Tech. J. Inf. Technol. Mech. Opt. 2015, vol. 15, no. 2, pp. 173–195 (In Russ.)] https://doi.org/10.17586/2226-1494-2015-15-2-173-195Martin J., Tritt T., Uher C. J. Appl. Phys., 2010, vol. 108, no. 12, 121101. https://doi.org/10.1063/1.3503505Martin J., Tritt T., Uher C. J. Appl. Phys., 2010, vol. 108, no. 12, 121101. https://doi.org/10.1063/1.3503505Burkov A. T., Heinrich A., Konstantinov P. P., Nakama T., Yagasaki K. Meas. Sci. Technol., 2001, vol. 12, no. 3, pp. 264–272. https://doi.org/10.1088/0957-0233/12/3/304Burkov A. T., Heinrich A., Konstantinov P. P., Nakama T., Yagasaki K. Meas. Sci. Technol., 2001, vol. 12, no. 3, pp. 264–272. https://doi.org/10.1088/0957-0233/12/3/304Kumar A., Patel A., Singh S., Kandasami A., Kanjilal D. Rev. Sci. Instrum., 2019, vol. 90, no. 10, p. 104901. https://doi.org/10.1063/1.5116186Kumar A., Patel A., Singh S., Kandasami A., Kanjilal D. Rev. Sci. Instrum., 2019, vol. 90, no. 10, p. 104901. https://doi.org/10.1063/1.5116186Paul B. Measurement, 2012, vol. 45, no. 1, pp. 133–139. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2011.09.007Paul B. Measurement, 2012, vol. 45, no. 1, pp. 133–139. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2011.09.007D’angelo J., Downey A., Hogan T. Rev. Sci. Instrum., 2010, vol. 81, 075107. https://doi.org/10.1063/1.3465326D’angelo J., Downey A., Hogan T. Rev. Sci. Instrum., 2010, vol. 81, 075107. https://doi.org/10.1063/1.3465326Shamim Sk, Abhishek Pandey, Sudhir K. Pandey. Rev. Sci. Instrum., 2022, vol. 93, 043902. https://doi.org/10.1063/5.0061819Shamim Sk, Abhishek Pandey, Sudhir K. Pandey. Rev. Sci. Instrum., 2022, vol. 93, 043902. https://doi.org/10.1063/5.0061819Iwanaga S., Toberer E. S., Lalonde A., Snyder G.J. Rev. Sci. Instrum., 2011, vol. 82, 063905. https://doi.org/10.1063/1.3601358Iwanaga S., Toberer E. S., Lalonde A., Snyder G.J. Rev. Sci. Instrum., 2011, vol. 82, 063905. https://doi.org/10.1063/1.3601358Gunes M., Parlak M., Ozenbas M. Meas. Sci. Technol., 2014, vol. 25, no. 5, 055901. https://doi.org/10.1088/0957-0233/25/5/055901Gunes M., Parlak M., Ozenbas M. Meas. Sci. Technol., 2014, vol. 25, no. 5, 055901. https://doi.org/10.1088/0957-0233/25/5/055901Fu Q., Xiong Y., Zhang W., Xu D., Fu Q., Xiong Y., Xu D. A. Rev. Sci. Instrum., 2017, vol. 88, 095111. https://doi.org/10.1063/1.4990634Fu Q., Xiong Y., Zhang W., Xu D., Fu Q., Xiong Y., Xu D. A. Rev. Sci. Instrum., 2017, vol. 88, 095111. https://doi.org/10.1063/1.4990634Ponnambalam V., Lindsey S., Hickman N. S., Tritt Terry M. Rev. Sci. Instrum., 2006, vol. 77, p. 073904. https://doi.org/10.1063/1.2219734Ponnambalam V., Lindsey S., Hickman N. S., Tritt Terry M. Rev. Sci. Instrum., 2006, vol. 77, p. 073904. https://doi.org/10.1063/1.2219734Barnard R. D. Thermoelectricity in Metals and Alloys. Taylor & Francis, London, 1972, 259 p.Barnard R. D. Thermoelectricity in Metals and Alloys. Taylor & Francis, London, 1972, 259 p.Мержанов А. Г., Боровинская И. П. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких неорганических соединений // Доклады АН СССР. 1972. Т. 204. № 2. С. 366–369. [Merzhanov A. G., Borovinskaya I. P. Samorasprostranyayushchijsya vysokotemperaturnyj sintez tugoplavkih neorganicheskih soedinenij. Doklаdy AN SSSR, 1972, vol. 204, no. 2, pp. 366–369 (In Russ.)]Мержанов А. Г., Боровинская И. П. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких неорганических соединений // Доклады АН СССР. 1972. Т. 204. № 2. С. 366–369. [Merzhanov A. G., Borovinskaya I. P. Samorasprostranyayushchijsya vysokotemperaturnyj sintez tugoplavkih neorganicheskih soedinenij. Doklаdy AN SSSR, 1972, vol. 204, no. 2, pp. 366–369 (In Russ.)]De Boor J., Mller E. Rev. Sci. Instrum., 2013, vol. 84, 065102. https://doi.org/10.1063/1.4807697De Boor J., Mller E. Rev. Sci. Instrum., 2013, vol. 84, 065102. https://doi.org/10.1063/1.4807697Burns G., Scroger M., Strouse G., Croarkin M., Guthrie W. Temperature-electromotive force reference functions and tables for the letter-designated thermocouple types based on the ITS-90, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 1993, 630 p. https://doi.org/10.6028/NIST.MONO.175Burns G., Scroger M., Strouse G., Croarkin M., Guthrie W. Temperature-electromotive force reference functions and tables for the letter-designated thermocouple types based on the ITS-90, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 1993, 630 p. https://doi.org/10.6028/NIST.MONO.175Abadlia L., Gasser F., Khalouk K., Mayoufi M., Gasser J. G. Rev. Sci. Instrum. 2014, vol. 85, 095121. https://doi.org/10.1063/1.4896046Abadlia L., Gasser F., Khalouk K., Mayoufi M., Gasser J. G. Rev. Sci. Instrum. 2014, vol. 85, 095121. https://doi.org/10.1063/1.4896046Loryan V. E., Karpov A. V., Boyarchenko O. D., Sytschev A. E. Int. J Self-Propag. High-Temp. Synth., 2022, vol. 31, pp. 273–275. https://doi.org/10.3103/S1061386222040069Loryan V. E., Karpov A. V., Boyarchenko O. D., Sytschev A. E. Int. J Self-Propag. High-Temp. Synth., 2022, vol. 31, pp. 273–275. https://doi.org/10.3103/S1061386222040069Da Rosa A. V., Ordóñez J. C. In: Fundamentals of Renewable Energy Processes, Chapter 5 – Thermoelectricity, Academic Press, 2022, 4th ed., pp. 187–247. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816036-7.00015-4Da Rosa A. V., Ordóñez J. C. In: Fundamentals of Renewable Energy Processes, Chapter 5 – Thermoelectricity, Academic Press, 2022, 4th ed., pp. 187–247. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816036-7.00015-4Nicolas Marchal, Tristan da Câmara Santa Clara Gomes, Flavio Abreu Araujo, Luc Piraux. Nanoscale Res. Lett., 2020, vol. 15, 137. https://doi.org/10.1186/s11671-020-03343-8Nicolas Marchal, Tristan da Câmara Santa Clara Gomes, Flavio Abreu Araujo, Luc Piraux. Nanoscale Res. Lett., 2020, vol. 15, 137. https://doi.org/10.1186/s11671-020-03343-8Greig D. Thermoelectricity in Transition Metals. In: Blatt F. J., Schroeder P. A. (eds), Thermoelectricity in Metallic Conductors. Springer, Boston, MA, 1978, pp. 91–106. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-6830-5_11Greig D. Thermoelectricity in Transition Metals. In: Blatt F. J., Schroeder P. A. (eds), Thermoelectricity in Metallic Conductors. Springer, Boston, MA, 1978, pp. 91–106. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-6830-5_11Laubitz M. J., Matsumura T., Kelly P. J. Can. J. of Phys., 1976, vol. 54, no. 1, pp. 92–102. https://doi.org/10.1139/p76-011Laubitz M. J., Matsumura T., Kelly P. J. Can. J. of Phys., 1976, vol. 54, no. 1, pp. 92–102. https://doi.org/10.1139/p76-011

The authors declare that there are no conflicts of interest present.