Устройство для измерения термо-ЭДС тонких пленок
DEVICE FOR MEASURING THERMO-EMF OF THIN FILMS

Изобретение относится к измерительной технике и является устройством для измерения термо-ЭДС в тонких пленках металлических, полупроводниковых и термоэлектрических материалов.
Известны устройства для измерения термо-ЭДС материалов, содержащие горячие и холодные зонды, нагревательный элемент для создания градиента температуры в образце и датчики температуры при измерении термо-ЭДС (RU №979974, RU №167045). В известных устройствах недостатком является создание большого градиента температуры за счет применения резистивных нагревателей, что является неприемлемым для маломощного регулирования градиента температуры при измерении термо-ЭДС тонких пленок, имеющих малую массу.
Наиболее близким по конструктивным особенностям является дифференциальный метод измерения термо-ЭДС [А.Т. Бурков и др. Методы и устройства измерения термоэдс и электропроводности термоэлектрических материалов при высоких температурах, Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2015, том 15, №2, с. 173-195] (прототип). В этом устройстве для создания градиента температуры вдоль образца к противоположным его концам закреплены нагреватель и холодильник. Перепад температуры между двумя точками на образце измеряется двумя термопарами, а термо-ЭДС между двумя одноименными ветвями термопар.
Недостатком этого устройства является наличие нагревателя и холодильника, которые не позволяют обеспечить получение низкого градиента температуры в несколько К/см в тонких пленках.
Задачей изобретения является создание заданного низкого градиента температуры в тонких пленках при измерении термо-ЭДС. Это достигается фиксированием тонкой пленки на подложке, один конец которой освещается с противоположной стороны крепления пленки, что обеспечивает получение низкого градиента температуры в подложке и, соответственно, в пленке.
Техническим результатом является измерение термо-ЭДС в тонких пленках металлических, полупроводниковых и термоэлектрических материалов.
Указанные техническая задача и результат достигаются благодаря тому, что устройство для измерения термо-ЭДС тонких пленок, содержащее термопары и средства измерения напряжения, дополнительно содержит подложку, на которой закреплен измеряемый образец и источник света, освещающий один конец поверхности подложки с противоположной стороны крепления пленки.
Существо изобретения поясняется схемой на фиг.
1
2
Устройство содержит подложку 1 с закрепленной на ней измеряемой пленкой 2, две термопары 3 и 4 для измерения температур T и Т, два средства измерения напряжения на термопарах 5 и 6, третье средство измерения напряжения 7 между одноименными ветвями термопар и источник света 8. Данный измерительный прибор фиксируется в специальном корпусе расположенном отдельно от средств измерения напряжения.
Длина подложки 1 составляет 1.1-1.3 длины пленки L, а ее ширина 0,15-0,5 ширины пленки S. Пленка крепится на подложке симметрично таким образом, чтобы от краев пленки до краев подложки были одинаковые расстояния вдоль длины d и между боковыми краями s. Источник света 8 освещает нижнюю поверхность подложки 1 на расстоянии d от одного из концов подложки 1 до ближайшего края пленки. Расстояние d составляет 0.05-0.15 длины пленки L. При расстоянии d меньше 0.05 источник света 8 не будет освещать подложку, что не позволит получить заданный градиент температуры для измерения термо-ЭДС. При расстоянии d больше 0.15 L длины пленки источник света 8 будет освещать подложку, нагревая ее под пленкой, что создаст условия получения градиента выше заданного и завышенного значения термо-ЭДС. Расстояние Н от источника света до подложки 1 составляет 2-5 ширины пленки S. При расстоянии Н меньше 2S источник света будет освещать площадь подложки меньше ширины пленки, создавая неравномерное ее нагревание и повышение температуры выше оптимальной, что снизит достоверность измерения термо-ЭДС. При расстоянии Н больше 5S источник света будет освещать больше оптимальной площадь подложки, что не позволит создать заданный градиент температуры для измерения термо-ЭДС.
1
2
1
2
1
2
Измерительные термопары 3 и 4 фиксируются на верхней поверхности пленки на расстояниях l и l от краев пленки. Величина расстояний фиксирования термопар l и l составляет 0.05-0.2 длины пленки L. При расстояниях от краев пленки l и l меньше 0.05 L возникают краевые эффекты, влияющие на процессы электропереноса носителей заряда, что не позволит получить достоверные данные. При расстояниях больше 0.2 L значительно уменьшится расстояние между термопарами и величина падения напряжения, что существенно уменьшит точность измерения данных.
Устройство функционирует следующим образом.
1
2
На подложку 1 крепят пленку 2 таким образом, чтобы расстояния между краями пленки и подложки были в пределах значений d. Затем на верхней поверхности пленки фиксируют термопары 3 и 4 на расстояниях S и S от краев пленки. Затем включение источника света 8 нагревает один из концов подложки и создает заданный градиент температуры вдоль подложки и, соответственно, пленки. Величина градиента температуры определяется путем измерения ЭДС на термопарах 3 и 4 средствами измерения напряжения 5 и 6. Термо-ЭДС измеряется средством измерения напряжения 7 между одноименными ветвями термопар 3 и 4 одновременно с измерением ЭДС на термопарах. Одновременное измерение температур и термо-ЭДС обеспечивает высокую точность измерения термо-ЭДС в пленках.
Пример осуществления изобретения.
3
3
Для измерения термо-ЭДС пленку висмута толщиной 50 мкм с размерами 20×3×0,05 мм фиксировали на пластмассовой подложке с размерами 26×6×2 мм таким образом, чтобы между концами пленки висмута вдоль ее длины и концами пластмассовой подложки были одинаковые расстояния равные 3 мм и между боковыми краями расстояния 1,5 мм. Включение осветителя нагревает один конец пластмассовой подложки, создавая воль нее градиент температуры. После достижения заданного градиента температуры вдоль образца с помощью измерителей напряжения измеряют температуру термопар, а между одноименными проволоками термопар - термо-ЭДС. В результате измеренная величина терм-ЭДС делится на разность температур и определяется дифференциальная термо-ЭДС, которая является справочной величиной для всех материалов.
Проведенные измерения термо-ЭДС тонких пленок в предлагаемом устройстве подтверждают его промышленную применимость.