热电优值ZT量测方法之研究与实作

i热电优值 ZT 量测方法之研究与实作Investigation and Implementation of Measurement Method about Figure of Merit ZTii中文摘要本论文为了辨别热电材料的好坏以选用最佳的热电材料(thermoelectric material)和进一步量测实验室所做出热电元件的效率积极探讨如何量测热电优值ZT 值，ZT 值与席贝克系数 (Seebeck coefficient)、导电率(electric conductivity)、热传导系数(thermal conductivity)、温度(temperature)等等参数相关，为评断热电材料好坏的一个重要依据，目前实验室已经可以使用直流电源供应器(DC power supply)与 Agilent 34972A 机台量测出席贝克系数(Seebeck coefficient)等等重要参数，所缺少的热传导率 k 值正参考 Maciej Haras 等人90的量测手法积极量测中，使用实验室目前所拥有的真空溅镀机(sputter) 、曝光机 (exposing machine)、显微镜(microscope)、光阻涂布机(photoresist spinner)、光罩(mask)、烤盘(hot plate)、E-gun 等等半导体先进设备以及新竹国家奈米实验室 (NAR Labs)的先进技术设备支援利用先进半导体制程制作出量测所需的悬空梁结构元件，在合适的环境条件下进行精密量测，预计不久后能够让实验室拥有独立自主量测热电优值 ZT 值的能力与方法。 关键字：热电优值、ZT、热传导系数 kiiiABSTRACTIn order to choose better thermoelectric materials and know the efficiency of thermoelectric devices, we positively investigate how to measure figure of merit ZT. Figure of merit ZT is associated with Seebeck coefficient, electric conductivity, thermal conductivity, temperature, which are the directions for good thermoelectric materials. Until now we can use DC power supply and Agilent 34972A to get many important parameters(such as seebeck coefficient etc.). About thermal conductivity we refer from Maciej Haras, et.al.90 and try our best to measure it. Using labs semiconductor advanced devices such as sputter, exposing machine, microscope, photoresist spinner, mask, hot plate, E-gun and the advanced technique/devices support from NAR Labs can make the floating beam device to measure thermal conductivity in proper environment.Shortly after the lab is expected to be able to have the ability and method of independent measurements of figure of merit ZT value.iv总目录口试委员审定书 .i致谢 .ii中文摘要 .iiiABSTRACT .iv总目录 .v图目录 .vii表目录 .ix第一章 绪论 .11.1 前言 .11.2 研究背景与动机 .2第二章 文献回顾与理论基础 .32.1 热电原理 .32.1.1 Seebeck 效应 .32.1.2 Peltier 效应 .52.1.3 Thomson 效应 .72.2 热电优值(Figure of Merit) .82.2.1 Seebeck 系数和导电率之间的矛盾 .102.2.2 热传导系数与导电率之间的矛盾 .112.3 热电转换效率 .12v2.3.1 热电发元件(Thermoelectric generator) .132.3.2 热电致冷元件(Thermoelectric Cooler) .142.4 热电发展与现况 .162.4.1 热电历史 .162.4.2 1996 年2011 年热电材料的发展 .182.4.3 近年热电材料发展 .262.4.4 热传导系数 k 值量测方法发展 .28第三章 实验方法与步骤 .33第四章 实验结果与讨论 .62REFERENCES .63vi图目录图 1.1 汽车燃料使用分布图1 .1图 2.1 Seebeck 效应示意图1 .4图 2.2 热电发电示意图1 .5图 2.3 Peltier 效应示意图1 .6图 2.4 热电致冷示意图1 .7图 2.5 Thomson 效应示意图 .8图 2.6 绝缘体、半导体与金属之 Seebeck 系数、导电率和热传导系数趋势图 1.10图 2.7 热电模块1 .13图 2.8 热电发电示意图 1.15图 2.9 热电致冷示意图1 .16图 2.10 热电历史发展1 .18图 2.11 1996 年2011 年各种制备热电材料方法统计图 1.21图 2.12 1996 年2011 年不同类型的热电材料之热电优值 1.22图 2.13 1996 年2011 年不同类型的热电材料在合适运作温度的热电优值 1.22图 2.14 近年各种制备热电材料方法统计图1 .26图 2.15 近年在世界各地所研究的热电材料分布图1 .27图 2.16 材料 Si 之热传导系数 k 值量测对照模拟图9091 .29图 2.17 k 值量测手法(M.Asheghi)(1997)92 .30vii图 2.18 .k 值量测手法(M.Asheghi)(2002)93 .31图 2.19 k 值量测手法(Li Shi)(2003)96 .31图 2.20 k 值量测手法(W.Liu、M.Asheghi)(2004)94 .32图 2.21 k 值量测手法(Maciej Haras)(2014)90 .32图 3.1 2D 热电材料制备流程 .34图 3.2 超音波震洗机 .36图 3.3 shadow mask 对照 sample 成长图案 .37图 3.4 实验室溅镀机机台 .37图 3.5 直流电源供应器(左)和半导体装置分析仪 Agilent 34972A(右) .38图 3.6 Seebeck coefficient 实验量测图 .39图 3.7 Seebeck coefficient 实验量测结果 .39图 3.8 k 值量测实验流程图 .41图 3.9 3D 结构制作流程图 .46图 3.10 光阻涂布机 .50图 3.11 烤盘 .51图 3.12 光阻厚度 .52图 3.13 曝光机 .53图 3.14 连续制程 SEM 图 .55图 3.15 E-gun 机台 .55图 3.16 金属电极 .56viii图 3.17 光罩 1 到光罩 3 .57图 3.18 十字型光罩 .58图 3.19 HF 蚀刻速率 .58图 3.20 元件构造说明90 .59图 3.21 加热电极电阻率对温度变化图90 .60图 3.22 加热电极电阻率对电压变化图90 .60图 3.23 TH 对电压关系图90 .61图 3.24 热传导系数 k 值90 .61ix表目录表 2.1 1996 年2011 half-Heusle 的热电性质与制程方法1 .23表 2.2 1996 年2011 CoSb3-based skutterudite 的热电性质与制程方法 1 .23表 2.3 1996 年2011 2D Materials 的热电性质与制程方法1 .24表 2.4 1996 年2011 Nanowire-based materials 的热电性质与制程方法1 .24表 2.5 1996 年2011 Bi 2Te3-based nanocomposites 的热电性质与制程方法1 .24表 2.6 1996 年2011 PbTe-based nanocomposites 的热电性质与制程方法1 .25表 2.7 1996 年2011 SiGe-based nanocomposites 的热电性质与制程方法1 .25表 2.8 1996 年20