引言

    熱電轉(zhuǎn)換物理效應(yīng)、熱電材料及其應(yīng)用技術(shù)的研究歷史悠長。近20 年來，熱電材料科學(xué)得到快速發(fā)展，同時(shí)，器件設(shè)計(jì)方法與集成技術(shù)也不斷完善。在此背景下，QUANTUM DESIGN公司PPMS和MPMS用戶——中科院上海硅酸鹽所陳立東研究員等撰寫了《熱電材料與器件》書，不僅梳理了熱電材料域的基礎(chǔ)知識(shí)，而且還涵蓋了作者本人在內(nèi)的研究者們多年來在熱電材料設(shè)計(jì)理論與制備科學(xué)、器件設(shè)計(jì)與集成技術(shù)等方面取得的諸多原創(chuàng)性重大成果，形成了有關(guān)熱電材料與器件較為全面、豐富的知識(shí)體系。該書的出版為從事熱電材料研究與器件研發(fā)的科研人員和工程技術(shù)人員以及在相關(guān)業(yè)學(xué)習(xí)的高等院校師生提供了很好的參考價(jià)值。

正文

    日本ADVANCE RIKO公司50多年來業(yè)從事“熱電材料”相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的研究開發(fā)，并直走在相關(guān)域的前端。2018年初，Quantum Design China代理了日本ADVANCE RIKO公司的進(jìn)熱電材料測試設(shè)備，將小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)Mini-PEM、澤貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)ZEM、熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM及大氣環(huán)境下熱電材料性能評(píng)估系統(tǒng)F-PEM引進(jìn)中國。
    經(jīng)過段時(shí)間的愉快合作后，2018年7月，Quantum Design China與日本ADVANCE RIKO公司正式達(dá)成協(xié)議，作為其熱電材料測試設(shè)備在中國的代理商繼續(xù)合作，并將日本ADVANCE RIKO公司的相關(guān)設(shè)備在中國大陸、香港和澳門進(jìn)行進(jìn)步推廣。同時(shí)，Quantum Design China將在日本ADVANCE RIKO公司的協(xié)助下，在北京建立熱電材料測試設(shè)備演示中心和技術(shù)服務(wù)中心，更好地為中國熱電材料的發(fā)展提供產(chǎn)品展示、技術(shù)支持和售后服務(wù)。

1. 澤貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)ZEM
    熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)用熱電材料的澤貝克（Seebeck）效應(yīng)和佩爾捷（Peltier）效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能與電能直接相互轉(zhuǎn)化，熱電技術(shù)的能量轉(zhuǎn)換效率主要取決于材料的本征物理性，通?？捎蔁犭娭祦砗饬?，而熱電值取決于材料的澤貝克系數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和溫度。

圖1  澤貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)ZEM

圖2  康銅澤貝克系數(shù)測試結(jié)果

    澤貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)ZEM可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬或半導(dǎo)體材料的熱電性能的評(píng)估，材料的澤貝克系數(shù)和電阻都可以用ZEM直接測量。該設(shè)備采用溫度控制的紅外金面加熱爐和控制溫差的微型加熱器，因此能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中的無污染控溫。同時(shí)，設(shè)備全自動(dòng)電腦控制，允許自動(dòng)測量消除背底電動(dòng)勢，擁有歐姆接觸自動(dòng)檢測功能。除ZEM標(biāo)準(zhǔn)配置外，還可根據(jù)用戶不同需求定制高阻型，增加薄膜測量選件、低溫選件等。

2. 小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)Mini-PEM
    小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)Mini-PEM可以通過自動(dòng)測量熱流量和發(fā)電量來獲得熱電轉(zhuǎn)換效率，電量是通過四探針法獲得；熱流是通過熱流計(jì)獲得。Mini-PEM體積更為小巧，操作更為簡單，集成化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)小型材料塊體2-10mm2 x 1-20mmH測量?？蓮V泛應(yīng)用于：發(fā)電量和熱流量測量、熱電材料模塊的熱電轉(zhuǎn)換效率計(jì)算、單熱電材料發(fā)電量及熱流測量、熱電材料性能和壽命評(píng)估等各個(gè)方向。

圖3   小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)Mini-PEM

圖4  碲化鉍樣品熱電轉(zhuǎn)換效率測試結(jié)果

3. 熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM
    熱電轉(zhuǎn)換效率是指熱能和電能之間相互轉(zhuǎn)換的程度，通常采用提高熱電組件兩端的有效溫度梯度來提高熱電組件的轉(zhuǎn)換效率。熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM通過對(duì)熱電材料模塊提供大溫差500℃，可以得到維熱流量Q和大發(fā)電功率P，從而有效測定熱電轉(zhuǎn)換效率η。

圖5  熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM

    熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM通過高精度的紅外線金面反射爐可完成快速性能評(píng)估和耐力測試，可以實(shí)現(xiàn)熱穿透測量，加熱過程中，通過氣缸機(jī)制可以保持接觸表面的熱阻穩(wěn)定。同時(shí)在測試過程中，溫度穩(wěn)定性的判斷、自動(dòng)調(diào)節(jié)熱電發(fā)電模塊的負(fù)載以及自動(dòng)控制溫度測量，這些功能僅通過設(shè)置軟件即可自動(dòng)完成，操作十分便捷。

4. 大氣環(huán)境下熱電材料性能評(píng)估系統(tǒng)F-PEM
    該系統(tǒng)可以在大氣環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷溫差的熱電材料產(chǎn)生的發(fā)電量和熱流量進(jìn)行測量，熱電轉(zhuǎn)換效率可以通過大發(fā)電量和熱流量計(jì)算出。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以長時(shí)間運(yùn)行熱循環(huán)測試，運(yùn)用于熱電新材料的開發(fā)，以及商用組件在負(fù)載和溫度下的耐久性測試。

圖6  大氣環(huán)境下熱電材料性能評(píng)估系統(tǒng)F-PEM

    熱電材料澤貝克效應(yīng)和佩爾捷效應(yīng)發(fā)現(xiàn)距今已有100余年的歷史，多年來科學(xué)家已對(duì)其進(jìn)行了深入而富有成效的研究，并為如何實(shí)現(xiàn)熱電材料更大的熱電值不斷探索。隨著熱電域研究的不斷深入，希望ZEM、PEM、Mini-PEM、F-PEM的引入，能夠助力更多異熱電材料性能的評(píng)估與研究，堅(jiān)信我國熱電材料域?qū)?huì)進(jìn)步發(fā)展提高！