基于微四探针测量的热电性能表征

随着电子器件尺寸持续缩小，热管理问题日益突出。热电材料的三项关键参数——电导率（σ）、热导率（κ）和塞贝克系数（α），共同决定了器件的热电优值（ZT），进而影响其能效与可靠性。四探针技术因其高空间分辨率、无损接触和快速测量等优势常应用于电导率测量，Xfilm 埃利四探针方阻仪是电导率测量的重要设备。本文将解析基于谐波电压分析的微四探针方法，旨在通过单一测量同时获取σ与α/κ，为全面评估材料热电性能提供了新手段。

数值模拟与理论验证

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本研究首先通过多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics构建了热电耦合数值模型，对测量理论进行了验证。模拟结果与解析预测高度一致，在电压幅值与相位上的平均误差小于1%，为实验方法的可靠性奠定了坚实基础。

样品制备与表征

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实验样品包括5组校准样品（均匀掺杂的p型与n型硅片）和5组测试样品（Ge、Si:As及多晶BiTe块体）。校准样品的κref和αref分别通过瞬态平面源法（TPS）和斜率法测得，其标准误差控制在2.5%以内，为微四探针测量结果提供了可靠的基准。

微四探针测量流程

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本研究中使用的七电极探针的扫描电子显微镜图像

测量使用四探针设备，配备七电极探针，电极间距为10 μm。采用频率为12.06 Hz的交流电流，在0.5–5 mA范围内调节电流强度，并利用锁相放大器精确记录各谐波下的电压与相位。通过多达158种四探针构型的组合测量，系统性地提取基波电阻（R₁ω）与二次谐波电压（V₂ω），并采用三步拟合流程依次得到电阻率、接触半径及最终的α/κ比值。

理论模型的实验验证

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样品4790 在4.08 mA 电流下测得的微四探针数据

样品4790 的拟合结果汇总，以电流平方为横坐标绘制

以样品4790（p型Si:B）为例，在4.08 mA电流下，其基波与二次谐波测量数据与模型拟合优度（R²）均超过0.95，证明了理论模型的准确性。通过将不同电流下的α/κ比值外推至零电流，有效消除了电阻温度系数的影响，获得α/κ比值为5.18 ± 0.03 μm A⁻¹，与宏观参考值4.93 ± 0.25 μm A⁻¹高度吻合。

塞贝克系数的微区测量结果

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在所有5组校准样品中，微四探针测得的塞贝克系数（αM4PP）与参考值（αref）的误差均在不确定度范围内。对于测试样品，除Ge:Sb因费米能级钉扎效应无法有效测量外，其余如Si:As（αM4PP = -432 μV K⁻¹ vs αref = -435 μV K⁻¹）与Ge:Ga（αM4PP = 560 μV K⁻¹ vs αref = 540 μV K⁻¹）均表现良好。BiTe样品因多晶各向异性及电流路径复杂性，测量值偏离文献参考约20–30%，这反映了微区测量对局部微观结构的敏感性。

本实验成功开发并验证了一种基于微四探针的谐波电压分析方法，能够在微米尺度下同时测量材料的电导率与塞贝克系数/热导率比值。该方法在多种半导体材料中表现出高精度与重复性，为微纳器件热电性能的原位表征提供了有力工具。

Xfilm埃利四探针方阻仪

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Xfilm埃利四探针方阻仪用于测量薄层电阻（方阻）或电导，可以对样品进行快速、自动的扫描，获得样品不同位置的方阻/电阻率分布信息。

超高测量范围，测量1mΩ~100MΩ

高精密测量，动态重复性可达0.2%

全自动多点扫描，多种预设方案亦可自定义调节

快速材料表征，可自动执行校正因子计算

基于四探针法的Xfilm埃利四探针方阻仪，凭借智能化与高精度的电阻测量优势，助力评估电子器件材料的热电性能，推动多领域的材料检测技术升级。

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原文参考：《Determination of thermoelectric properties frommicro four-point probe measurements》

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