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熱電材料作為一種熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能性材料，具有環(huán)境友好、重量輕、堅(jiān)固、工作無(wú)噪音等一系列特點(diǎn)，成為材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)。隨著相關(guān)從業(yè)者的研究深入，新型、先進(jìn)的熱電材料不斷出現(xiàn)，熱電材料測(cè)試技術(shù)的專業(yè)要求也變得越來(lái)越高。

為了幫助行業(yè)用戶學(xué)習(xí)、了解熱電材料測(cè)試最新技術(shù)及分析方案等內(nèi)容，儀器信息網(wǎng)特別策劃了“熱電材料測(cè)試技術(shù)”專題，并邀請(qǐng)到QUANTUM量子科學(xué)儀器貿(mào)易(北京)有限公司（暨QUANTUM DESIGN中國(guó)子公司）銷售總監(jiān)苗雁鳴博士就熱電材料測(cè)試相關(guān)問(wèn)題發(fā)表看法。 

 

苗雁鳴 博士

QUANTUM DESIGN中國(guó)子公司銷售總監(jiān)

儀器信息網(wǎng)：現(xiàn)行的熱電材料相關(guān)測(cè)試技術(shù)是否滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)日益提升的測(cè)試需求？有哪些方面需要進(jìn)行改進(jìn)或完善？

苗雁鳴：熱電材料作為一種新型能源轉(zhuǎn)換材料，在航空航天、清潔能源、電子技術(shù)等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著熱電材料的研究熱度逐漸提高，市場(chǎng)對(duì)熱電材料性能表征儀器的需求也在不斷增加。

雖然從原理上來(lái)說(shuō)，熱電材料的測(cè)試技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是市場(chǎng)上的儀器還需要不斷發(fā)展來(lái)適應(yīng)日趨多樣化的測(cè)試需求。例如，傳統(tǒng)的塞貝克系數(shù)測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且測(cè)試單個(gè)樣品的時(shí)間較長(zhǎng)，不利于樣品的快速檢測(cè)。

此外，目前針對(duì)塊體材料性能測(cè)試的設(shè)備較多，而針對(duì)需要測(cè)量塞貝克系數(shù)分布材料（如薄膜材料和功能梯度材料等）的儀器較少，不能滿足材料組分均勻性研究的需求；大部分測(cè)試薄膜熱電性能的儀器主要測(cè)試的是薄膜內(nèi)方向（即XY方向），而能夠測(cè)試薄膜厚度方向的儀器還非常少見(jiàn)；熱電材料研究的最終目標(biāo)是為了實(shí)用，所以熱電材料的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換效率非常重要，而能直接測(cè)量熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換效率的儀器卻不多。

針對(duì)以上幾點(diǎn)問(wèn)題，現(xiàn)在市場(chǎng)上能滿足這些測(cè)量需求，且比較有代表性的儀器有美國(guó)QUANTUM DESIGN公司用于低溫高精度熱電性質(zhì)測(cè)量的PPMS綜合物性測(cè)量系統(tǒng)熱輸運(yùn)模塊、日本ADVANCE RIKO公司用于室溫及高溫?zé)犭娦阅軠y(cè)量的ZEM和PEM系列，以及德國(guó)PANCO公司用于測(cè)量塞貝克系數(shù)二維分布的PSM II顯微鏡。

新一代PPMS綜合物性測(cè)量系統(tǒng)

儀器信息網(wǎng)：目前的熱電材料測(cè)試項(xiàng)目中哪些值得特別關(guān)注？相關(guān)分析測(cè)試方法的技術(shù)難點(diǎn)主要在哪？

苗雁鳴：塊體熱電材料仍是目前的應(yīng)用主體，但在持續(xù)探索新型高性能熱電化合物的同時(shí)，采用微結(jié)構(gòu)調(diào)控等手段對(duì)傳統(tǒng)熱電材料性能進(jìn)一步優(yōu)化和提高是研究的重要方向。納米線和薄膜等由于結(jié)構(gòu)上顯著的各向異性從而產(chǎn)生了獨(dú)特電聲輸運(yùn)特性，對(duì)于此類材料的熱電特性測(cè)試值得特別關(guān)注。

以材料的塞貝克系數(shù)測(cè)量為例，傳統(tǒng)的測(cè)量方法和設(shè)備都是針對(duì)塊狀材料測(cè)試需求開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，即使有為薄膜材料專門(mén)設(shè)計(jì)的夾具，其測(cè)試方向也是平行于材料表面的。而隨著各向異性材料越來(lái)越多，如超晶格薄膜等被應(yīng)用于熱電元件，對(duì)于厚度方向上塞貝克系數(shù)的測(cè)量需求也越來(lái)越迫切。

測(cè)試的技術(shù)難點(diǎn)主要在于試樣的尺寸較小，測(cè)量時(shí)的相應(yīng)信號(hào)較弱，必須采用高精度的數(shù)字電壓表，同時(shí)還需保持微米厚度試樣兩側(cè)的溫差恒定以及兩側(cè)的溫度測(cè)量精確。

熱導(dǎo)率的測(cè)量由于熱傳輸?shù)亩喾N方式（輻射、對(duì)流等）而更加困難，測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量減小被測(cè)物體內(nèi)部途徑之外的熱輸運(yùn)。對(duì)于薄膜樣品，由于其熱損失嚴(yán)重，難以保持薄膜兩邊的熱穩(wěn)定，多采用測(cè)量速度快、準(zhǔn)確度高的瞬態(tài)法進(jìn)行測(cè)量，如激光閃光法等。

日本ADVANCE RIKO公司的塞貝克系數(shù)與電阻測(cè)量系統(tǒng)ZEM系列在全球銷售量超過(guò)300臺(tái)，廣獲全球科研及工業(yè)用戶的贊譽(yù)，成為熱電材料領(lǐng)域標(biāo)桿性的測(cè)試設(shè)備。2019年， ADVANCE RIKO公司在此前的成功基礎(chǔ)上推出了專門(mén)用于評(píng)價(jià)聚合物厚度方向上熱電性能的全新設(shè)備ZEM-d。

用于評(píng)價(jià)聚合物厚度方向上熱電性能的全新設(shè)備ZEM-d系統(tǒng)

與廣獲贊譽(yù)的ZEM系列（ZEM-3/ZEM-5）不同，ZEM-d測(cè)量的是聚合物薄膜厚度方向上的塞貝克系數(shù)和電阻率，可以測(cè)量的樣品最薄為10 μm。此外，由于與采用激光閃光法測(cè)量薄膜的熱擴(kuò)散率/導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方向一致，其測(cè)量結(jié)果可廣泛應(yīng)用于薄膜熱電材料的性能評(píng)價(jià)。

儀器信息網(wǎng)：請(qǐng)介紹一下QUANTUM DESIGN中國(guó)在熱電材料測(cè)試方面的核心儀器產(chǎn)品或產(chǎn)品組合？相比于同類產(chǎn)品，本公司的產(chǎn)品有哪些優(yōu)勢(shì)？

苗雁鳴：QUANTUM DESIGN中國(guó)針對(duì)熱電材料測(cè)試，有多種測(cè)量?jī)x器，涵蓋了熱電測(cè)試的各種需求。

現(xiàn)包括可以在1.9K-400K溫度間、±16T磁場(chǎng)下進(jìn)行熱導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)以及電導(dǎo)率測(cè)量的PPMS綜合物性測(cè)量系統(tǒng)熱輸運(yùn)模塊；可以在 50-1000℃進(jìn)行塞貝克系數(shù)和電阻測(cè)量的塞貝克系數(shù)/電阻測(cè)量系統(tǒng)-ZEM；可以在高溫下測(cè)量薄膜厚度方向上的塞貝克系數(shù)和電阻率的ZEM-d；最高800℃下測(cè)量熱電轉(zhuǎn)換效率、發(fā)電量、熱流量的熱電轉(zhuǎn)換效率測(cè)量系統(tǒng)-PEM，小型熱電轉(zhuǎn)換效率測(cè)量系統(tǒng)-Mini-PEM以及大氣環(huán)境下熱電材料性能評(píng)估系統(tǒng)-F-PEM；可以測(cè)量薄膜或塊體表面塞貝克系數(shù)和電阻二維分布的PSM II顯微鏡；等等。

除了ZEM有一些仿制產(chǎn)品外，其他如PPMS綜合物性測(cè)量系統(tǒng)熱輸運(yùn)模塊，ZEM-d，PEM，Mini-PEM，F(xiàn)-PEM和PSM II都是QUANTUM DESIGN中國(guó)獨(dú)有的產(chǎn)品。

儀器信息網(wǎng)：QUANTUM DESIG中國(guó)在熱電材料測(cè)試方面可以提供哪些分析評(píng)估方案？這些方案可以為用戶解決什么研究難題？

苗雁鳴：QUANTUM DESIG中國(guó)提供的儀器可對(duì)熱電材料，以及超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料、高分子材料、納米材料、燃料電池、導(dǎo)電陶瓷、塊材、薄膜、單晶等進(jìn)行熱導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率、電阻、熱電轉(zhuǎn)換效率、發(fā)電量、熱流量和塞貝克系數(shù)和電阻二維分布測(cè)量，最大程度來(lái)滿足熱電材料研究者方方面面的熱電相關(guān)測(cè)試需求。

儀器信息網(wǎng)：針對(duì)熱電材料領(lǐng)域，QUANTUM DESIG中國(guó)接下來(lái)的有怎樣的戰(zhàn)略規(guī)劃？

苗雁鳴：QUANTUM DESIGN中國(guó)作為美國(guó)QUANTUM DESIGN公司在全世界設(shè)立的諸多子公司之一，全權(quán)負(fù)責(zé)美國(guó)QUANTUM DESIGN公司本部產(chǎn)品在中國(guó)銷售和售后服務(wù)的同時(shí)，還致力于發(fā)展與全球范圍內(nèi)先進(jìn)科學(xué)儀器制造商的合作，幫助其產(chǎn)品引進(jìn)中國(guó)市場(chǎng)，發(fā)展與中國(guó)本地科學(xué)家的合作，并將實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備商業(yè)化。

2018年7月，QUANTUM DESIGN中國(guó)與日本ADVANCE RIKO正式達(dá)成協(xié)議，作為其熱電材料測(cè)試設(shè)備在中國(guó)的獨(dú)家代理商繼續(xù)合作，進(jìn)一步將日本ADVANCE RIKO的相關(guān)設(shè)備在中國(guó)大陸、香港和澳門(mén)推廣。并且在日本ADVANCE RIKO公司的協(xié)助下，QUANTUM DESIGN中國(guó)在北京建立了示范實(shí)驗(yàn)室和用戶服務(wù)中心。

截止目前，QUANTUM DESIGN中國(guó)在北京設(shè)立樣機(jī)實(shí)驗(yàn)室已有超過(guò)300萬(wàn)美元的投入，其中與熱電材料相關(guān)的有PPMS DYNACOOL綜合物性測(cè)量系統(tǒng)樣機(jī)演示實(shí)驗(yàn)室以及小型熱電轉(zhuǎn)換效率測(cè)量系統(tǒng)Mini-PEM樣機(jī)演示實(shí)驗(yàn)室，致力于為中國(guó)熱電技術(shù)發(fā)展提供專業(yè)的支持和服務(wù)。

為了更好地服務(wù)國(guó)內(nèi)熱電材料科研領(lǐng)域的客戶，QUANTUM DESIGN中國(guó)會(huì)不斷推出更為全面的測(cè)試手段。此外，QUANTUM DESIGN中國(guó)將攜手日本ADVANCE RIKO公司于近期推出厚度方向熱電性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)ZEM-d的免費(fèi)樣品測(cè)試活動(dòng)。