Устройство для измерения коэффициента Зеебека термоэлектрических материалов в диапазоне температур 300–800 К

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.  

1. Goldsmid H. J. Introduction to Thermoelectricity. Springer Berlin, Heidelberg, 2016, 278 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-49256-7

2. Wood C. Rep. Prog. Phys., 1988, vol. 51, no. 4, 459. https://doi.org/10.1088/0034-4885/51/4/001

3. Nolas G. S., Sharp J., Goldsmid H. J. Thermoelectrics: Basic Principles New Materials Developments. Springer Berlin, Heidelberg, 2001, 293 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-04569-5

4. 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. 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/10.17586/2226-1494-2015-15-2-173-195

5. Martin J., Tritt T., Uher C. J. Appl. Phys., 2010, vol. 108, no. 12, 121101. https://doi.org/10.1063/1.3503505

6. Burkov 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/10.1088/0957-0233/12/3/304

7. Kumar A., Patel A., Singh S., Kandasami A., Kanjilal D. Rev. Sci. Instrum., 2019, vol. 90, no. 10, p. 104901. https://doi.org/10.1063/1.5116186

8. Paul B. Measurement, 2012, vol. 45, no. 1, pp. 133–139. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2011.09.007

9. D’angelo J., Downey A., Hogan T. Rev. Sci. Instrum., 2010, vol. 81, 075107. https://doi.org/10.1063/1.3465326

10. Shamim Sk, Abhishek Pandey, Sudhir K. Pandey. Rev. Sci. Instrum., 2022, vol. 93, 043902. https://doi.org/10.1063/5.0061819

11. Iwanaga S., Toberer E. S., Lalonde A., Snyder G.J. Rev. Sci. Instrum., 2011, vol. 82, 063905. https://doi.org/10.1063/1.3601358

12. Gunes M., Parlak M., Ozenbas M. Meas. Sci. Technol., 2014, vol. 25, no. 5, 055901. https://doi.org/10.1088/0957-0233/25/5/055901

13. Fu Q., Xiong Y., Zhang W., Xu D., Fu Q., Xiong Y., Xu D. A. Rev. Sci. Instrum., 2017, vol. 88, 095111. https://doi.org/10.1063/1.4990634

14. Ponnambalam V., Lindsey S., Hickman N. S., Tritt Terry M. Rev. Sci. Instrum., 2006, vol. 77, p. 073904. https://doi.org/10.1063/1.2219734

15. Barnard R. D. Thermoelectricity in Metals and Alloys. Taylor & Francis, London, 1972, 259 p.

16. 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.)]

17. De Boor J., Mller E. Rev. Sci. Instrum., 2013, vol. 84, 065102. https://doi.org/10.1063/1.4807697

18. Burns 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.175

19. Abadlia L., Gasser F., Khalouk K., Mayoufi M., Gasser J. G. Rev. Sci. Instrum. 2014, vol. 85, 095121. https://doi.org/10.1063/1.4896046

20. Loryan 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/S1061386222040069

21. Da 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/B978-0-12-816036-7.00015-4

22. Nicolas Marchal, Tristan da Câmara Santa Clara Gomes, Flavio Abreu Araujo, Luc Piraux. Nanoscale Res. Lett., 2020, vol. 15, 137. https://doi.org/10.1186/s11671-020-03343-8

23. Greig 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_11

24. Laubitz 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