Главная  Пленочные термоэлементы 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [ 25 ] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76]

(оси 1 vl 2 лежат в плоскости пленки). Тензор напряжений имеет более сложный вид, а соотношение его компонент мало отличается при переходе от одного материала к другому. При этом ga = = (1,5 ± 0,1) Р, где Р = 4sSp (5) - гидростатическая состав-ляюп1;ая напряжения. Рассчитанная таким образом величина Р была проверена путем измерения электросопротивления Bi вблизи фазовых переходов. Полученные значения хорошо согла--совались с литературными данными.

Методика измерения удельной теплопроводности. Определение удельной теплопроводности тонких пленок - трудная экспериментальная задача, в особенности если это относится к термоэлектрическим материалам, обладаюп1;им низкой теплопроводностью. Трудности измерения х связаны в первую очередь с малым поперечным сечением образца. При этом обычные методы измерения теплопроводности, основанные на измерении перепада температуры в образце при протекании заданного потока тепла, осложняются, как уже отмечалось, сильным нарушением температурного поля в образце за счет теплообмена с окружаюш;ей -средой и теплоотвода по проводам термопар или терморезисторов. Кроме того, обычно пленки нанесены на подложку, удельная теплопроводность Хц которой сравнима или даже превышает Хдл - удельную теплопроводность пленки. Поэтому необходимо измерять Хп до нанесения пленки, либо делать не всегда оправданное предположение, что Хп совпадает со значением х для объемного кристалла.

Обычные методы измерения Хпл, как правило, применяются только для исследования пленок с высокой теплопроводностью, например пленок свинца [52]. Некоторые исследователи для измерения весьма малых тепловых потоков, протекающих в пленке, использовали специальные приемы. Так, в [53] при стационарном режиме измерения теплопроводности оставляли свободным один конец образца и рассчитывали сток тепла с него по закону Стефана-Больцмана. В нестационарном варианте методики [53] тепловой поток определяли по изменению теплосодержания навески свинца, закрепленной на свободном конце образца. В [54] для уменьшения влияния тепловых потерь измерялась суммарная теплопроводность пакета соединенных параллельно идентичных пленок на подложках. Измерения проводились в два этапа. Вначале измерялась теплопроводность пакета только одних подложек, а затем пакета с пленками на подложках. Для обеспечения теплового контакта с теплоприемниками концы подложек переложены медной фольгой. В средней части между подложками вмонтирован нагреватель, измерительные термопары представляют собой тонкие проволоки диаметром 40 мкм. Параллельно измеряемому пакету по обе стороны от него на расстоянии 0,3 мм расположены тепловые экраны, выполненные в виде аналогичных пакетов в три раза меньшей толщины. Применение вспомогательных пакетов снижает влияние потерь на излучение. Однако ука-.занная методика не лишена недостатков. Во-первых, велика тру-



доемкость изготовления экспериментальных образцов, состоящих из большого числа идентичных подложек и пленок, во-вторых, требуется строгий контроль теплового контакта между пленками в пакете, в-третьих, исключена возможность определения Кдл непосредственно после напыления без нарушения вакуума.

В работах [55, 56] для уменьшения шунтирующего влияния подложки измерялась теплопроводность многослойных пленочных структур, состоящих из исследуемых пленок, разделенных тонкими теплоизолирующими прослойками. Так, в [56] исследуемые пленки висмута толщиной 20-160 им были разделены прослойками моноокиси германия толщиной 2-3 им. Недостатком методик [55, 56] является возможное несоответствие структуры исследуемого материала в многослойной структуре и в одиночной пленке на подложке, а также возможность присутствия размерных эффектов в многослойных структурах.

Чтобы исключить влияние измерительных термопар при создании перепада температуры, в последние годы для измерения удельной теплопроводности тонких пленок стал применяться метод Кольрауша [57]. Сущность метода состоит в том, что через образец с изотермическими торцами пропускают ток, вызывающий нагрев средней части образца. Нагрев контролируется по изменению удельного сопротивления образца и определяется его теплопроводностью. Преимущество методов, основанных на прогреве всего образца током,- снижение влияния потерь на теплообмен с окружающей средой. Чтобы убедиться в этом, сравним величины поправочных членов на тепловые потери с боковых поверхностей образца для случая прогрева образца током или внешним источником тепла, расположенном на одном из торцов образца (другой: торец поддерживается при постоянной температуре).

В случае нагрева образца током удельная теплопроводность вычисляется по формуле [58]

o(i-l), (1.267)

где Kq - удельная теплопроводность, измеренная без учета теплообмена с боковой поверхности образца, Ят - коэффициент теплообмена с окружающей средой, П, С, Z - соответственна периметр, площадь поперечного сечения и длина образца.

В случае внешнего источника тепла

x:Xo(l-4-i). (1.268)

Сравнение формул (1.267) и (1.268) показывает, что во втором случае поправочный член в пять раз больше, чем в первом. Эта объясняется тем, что тепловой поток от источника, расположенного на торце образца, протекает через всю длину образца и доля рассеиваемого поверхностью тепла значительно выше, чем в случае, когда источники тепла распределены во всем объеме образца.




Рис. 1.9. Схема образца для измерения теплопроводности

1 - подложка,

2 - изотермические электроды,

3 - перемычка,

4 - узкая проводящая полоска L, Ъ-"длина и ширина проводящей полоски соответственно,

djyj - толщина проводящего слоя, dn - толщина подлой(ки,

t - ширина перемычки,

I - ширина зазора

Рис. 1.10. Устройство для измерения теплопроводности в тонких пленках

1 - нагреватель, 2, 9 - теплопереходы из ВеО, 5, 5 - термопары, 4, 7 - изотермические электроды, 5 - гелиевая камера, б - образец, 10 - плата, 11 - заслонка


Таким образом, методы измерения Хдл» основанные на методе Кольрауша, более предпочтительны для измерения теплопроводности термоэлектрических пленок. Для измерения удельной теплопроводности непроводящей подложки (до нанесения пленки) на обратную поверхность подложки наносят вспомогательный тонкий слой платины -образной формы [59]. Величина температурного коэффициента сопротивления платиновой пленки обеспечивает надежные измерения в интервале 20-300 К. Средний участок 4 (рис. 1.9) вспомогательного слоя нагревается электрическим током. Тепло, выделяющееся в этом участке, отводится в основном по подложке в промежутках между участком 4 и изотермическими-участками 2. Для того чтобы обеспечить линейность теплового потока по подложке, геометрия вспомогательного слоя выбрана так, чтобы выполнялись соотношения Z, b (па-

раметры L, Z, t, b показаны на рис. 1.9).

На рис. 1.10 показано схематически устройство основного узла установки для измерения к. Образец 6 установлен на контактных пластинах, изолированных электрически при помощи теплопереходов из окиси бериллия 2, 9. Устройство прикреплено к дну гелиевой камеры 5. На изотермические участки вспомогательного слоя наложены изотермические электроды 4, 7. Электрический и тепловой контакт электродов с вспомогательным слоем обеспечивается эвтектическим сплавом индий-галий.

Для определения х сначала измеряется сопротивление вспомогательного слоя при слабом токе, не вызывающем существенного нагрева, затем ток увеличивают до значения, вызывающего



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [ 25 ] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76]

0.0008