Voorbereiding en thermo-elektrische kenmerken van ITO/PtRh:PtRh Thin Film Thermokoppel

Abstract

Dunne film thermokoppels (TFTC's) kunnen nauwkeurigere in-situ temperatuurmetingen bieden voor voortstuwingssystemen in de ruimtevaart zonder verstoring van de gasstroom en oppervlaktetemperatuurverdeling van de hete componenten. ITO/ PtRh:PtRh TFTC met meerlagige structuur werd afgezet op aluminiumoxide keramisch substraat door middel van magnetron sputteren. Na uitgloeien werd de TFTC statisch gekalibreerd voor meerdere cycli met temperaturen tot 1000 ° C. De TFTC met uitstekende stabiliteit en herhaalbaarheid werd gerealiseerd voor de verwaarloosbare variatie van EMF in verschillende kalibratiecycli. Aangenomen wordt dat als gevolg van zuurstofdiffusiebarrières door de oxidatie van de bovenste PtRh-laag en Schottky-barrières gevormd aan de korrelgrenzen van ITO, de variatie van de dragerconcentratie van ITO-film wordt geminimaliseerd. Ondertussen is de levensduur van TFTC meer dan 30 uur in een ruwe omgeving. Dit maakt ITO/PtRh:PtRh TFTC een veelbelovende kandidaat voor nauwkeurige meting van de oppervlaktetemperatuur van hete onderdelen van vliegtuigmotoren.

Achtergrond

121De nauwkeurige temperatuurmeting is cruciaal voor vliegtuigmotoren om de effectiviteit van modellering en simulatie van het thermomechanische gedrag van componenten van hete secties te valideren en om de bedrijfsomstandigheden te bewaken en diagnostiek uit te voeren [1,2,3]. Vergeleken met conventionele draadthermokoppels, infraroodfotografie of thermische sproei-instrumentatie, kunnen dunnefilm-thermokoppels (TFTC's) nauwkeurige temperatuurmetingen bieden met een snelle respons, minimale verstoring van de gasstroom en een verwaarloosbare invloed op de oppervlaktetemperatuurverdeling van de gemeten componenten [4] , 5].

Er werden verschillende materiaalsystemen gebruikt om dunnefilm-thermokoppels te vervaardigen voor toepassingen bij hoge temperaturen, zoals Pt-PtRh en In₂ O₃ -ITO [6,7,8,9]. De dunne-filmvorm van deze materialen is echter gevoelig voor stabiliteits- en herhaalbaarheidsproblemen, vooral bij hoge temperaturen waarin vliegtuigmotoren over het algemeen worden gebruikt. Selectieve oxidatie van rhodium tussen 800 en 1000 °C resulteert bijvoorbeeld in de drift en afbraak van de Pt-PtRh TFTC's [10, 11]. Wat betreft ITO-gebaseerde TFTC's, hoewel In₂ O₃ -gebaseerde oxiden hebben de kenmerken van een hogere temperatuurbestendigheid, de ongebalanceerde compensatie van zuurstofvacatures zou leiden tot de drift van thermo-elektrische output en zelfs apparaatstoringen tijdens cycli bij hoge temperatuur [12, 13]. Er zijn verschillende benaderingen geprobeerd om de thermo-elektrische eigenschappen van In₂ . te verbeteren O₃ -gebaseerde oxiden, zoals gloeien bij hoge temperatuur en stikstofdoping [14,15,16]. De stabiliteit bij hoge temperaturen van op ITO gebaseerde TFTC's is verbeterd; desalniettemin wordt de thermo-elektrische output van TFTC's geleidelijk verminderd als gevolg van zuurstofdiffusie in ITO-films. Bovendien is een nanocomposietfilm gemaakt die bestaat uit NiCoCrAlY en aluminiumoxide en die wordt gebruikt als het thermo-element voor TFTC's [8]. Het thermo-element met halfgeleider/metaal meerlaagse structuur is echter niet gerapporteerd.

In dit werk werd ITO / PtRh-composietfilm met meerlagige structuur, die voor het eerst werd geïntroduceerd als een thermo-element, bereid door magnetronsputteren en nagloeien. De microstructuur en soortelijke weerstand van de films werden onderzocht. Vervolgens werd ITO/PtRh:PtRh TFTC gefabriceerd en werden de thermo-elektrische respons en stabiliteit bij hoge temperaturen gekarakteriseerd en besproken.

Methoden

Voorbereiding van monsters

ITO-dunne film en ITO/PtRh-composietfilm werden afgezet op aluminiumoxidesubstraten en Si (100)-substraten door middel van magnetronsputteren met behulp van ITO met hoge zuiverheid (In₂ O₃ :SnO₂ = 90:10, Ф100 mm, 99,99 gew.%) keramisch doel en Pt-13%Rh (Ф100 mm, 99,99 gew.%) legeringsdoel van hoge zuiverheid bij kamertemperatuur. Tabel 1 toont de sputterparameters van ITO en Pt-13% Rh dunne films. De achtergronddruk was 7 × 10⁻⁴ Pa, en de afstand tussen doel en substraat werd vastgesteld op 110 mm. Alle substraten werden achtereenvolgens gereinigd met aceton, ethanol en gedeïoniseerd water voordat dunne film werd afgezet. In het bijzonder werden ITO- en PtRh-dunne films als alternatief afgezet om ITO/PtRh-composietfilm te vormen. De dikte van de dunne ITO-film was bijna vier keer de dunne film van Pt-13% Rh en de totale dikte van de composietfilm was ongeveer 1 m. Om de stabiliteit bij hoge temperatuur van ITO/PtRh-composietfilms te verbeteren, werd nagloeien uitgevoerd bij 1000 °C gedurende 5 uur in stikstof, gevolgd door uitgloeien bij 1000 °C gedurende 2 uur in de lucht (genoemd als N₂ -Lucht) [15].

De ITO/PtRh:PtRh TFTC (63 mm × 1 mm × 1 m) werd afgezet op 75 mm × 12 mm × 0,5 mm aluminiumoxidesubstraat door middel van magnetronsputteren. De thermokoppelelektroden waren van een patroon voorzien met gestencilde maskers en de dikte was ongeveer 1 m, zoals weergegeven in figuur 1a. Na gloeien in N₂ -Lucht, de TFTC is statisch gekalibreerd voor meerdere thermische cycli in de kalibratieoven van 300 tot 1000 °C. Tijdens de kalibratie werd elke kalibratietemperatuur minstens 1 uur vastgehouden om thermisch evenwicht te bereiken.

Het beeld van de voorbereide TFTC (a ) en het schema van het kalibratiesysteem (b ). een De foto van de ITO/PtRh:PtRh TFTC. Het werd afgezet op aluminiumoxidesubstraat (75 mm × 12 mm × 0.5 mm) door middel van magnetronsputteren. Elke poot van TFTC is 63 mm lang en 1 mm breed. En de dikte van TFTC is ongeveer 1 m. b Het schema van het kalibratiesysteem. Het fietsende water werd gebruikt om de temperatuurgradiënt tussen de hete junctie en de koude junctie te vergroten. De temperatuur van hete junctie, T₁ , en de temperatuur van de koude verbinding, T₂ , werden gemeten met respectievelijk standaard S- en K-type draadthermokoppels die op de achterkant van de substraten waren gemonteerd. De koude verbinding werd verlengd door homogene draden voor het aansluiten van een digitale multimeter om de elektromotorische kracht (EMF) te meten

Karakteriseringen

De microstructuur van de ITO-dunne film werd gekenmerkt door röntgendiffractie (XRD). De scanning elektronenmicroscopie (SEM) werd toegepast om de dwarsdoorsnede van ITO/PtRh composietfilm te onthullen. De elektrische eigenschappen van de films werden gemeten met een vierpuntsprobe-methode.

Kalibratiemethode

Figuur 1b toont het schema van het kalibratiesysteem. De TFTC werd gedurende meerdere cycli statisch gekalibreerd in de kalibratieoven. Het fietswater kan worden gebruikt om de temperatuurgradiënt tussen de warme junctie en de koude junctie te vergroten. De temperatuur van hete junctie, T₁ , en de temperatuur van de koude verbinding, T₂ , werden gemeten met respectievelijk standaard S- en K-type draadthermokoppels die op de achterkant van de substraten waren gemonteerd. De koude verbinding werd verlengd door homogene draden voor het aansluiten van een digitale multimeter om de elektromotorische kracht (EMF) te meten.

Resultaten en discussie

Microstructuur en weerstand van ITO- en ITO/PtRh-composietfilms

De XRD-patronen van ITO-dunne film gegloeid in N₂ -Lucht wordt weergegeven in Fig. 2. Afgezien van de pieken van aluminiumoxidesubstraat, zijn de diffractiepieken van polykristallijn kubisch bixbyiet In₂ O₃ fase zijn gevonden zonder voorkeursoriëntatie. Er werden geen diffractiepieken van Sn en het overeenkomstige oxide/nitride waargenomen in de XRD-patronen, wat bevestigt dat Tin-ionen vervangend waren gedoteerd in het indiumoxide-rooster en de volledige vaste oplossing van In₂ O₃ en SnO₂ werd gevormd [17].

Röntgendiffractiepatronen van ITO dunne film gegloeid in N₂ -Lucht. Afgezien van de pieken van aluminiumoxidesubstraat, zijn de diffractiepieken van polykristallijn kubisch bixbyiet In₂ O₃ fase zijn gevonden zonder voorkeursoriëntatie. Er werden geen diffractiepieken van Sn en overeenkomstig oxide/nitride waargenomen in de XRD-patronen

Het dwarsdoorsnedebeeld van ITO / PtRh-composietfilm afgezet op Si (100) -substraat werd gepresenteerd op Fig. 3. ITO- en Pt-13% Rh-films werden alternatief afgezet om ITO / PtRh-composietfilm te vormen. De totale dikte van de composietfilm was ongeveer 1 m en de dikte van een enkele ITO-laag was ongeveer 400 nm, wat vier keer zo groot was als de dikte van de Pt-13% Rh-laag.

Het dwarsdoorsnede-SEM-beeld van ITO/PtRh-composietfilm. Het dwarsdoorsnedebeeld van ITO/PtRh-composietfilm afgezet op Si (100)-substraat werd verkregen met SEM. ITO- en Pt-13% Rh-films werden als alternatief afgezet om ITO/PtRh-composietfilm te vormen. De totale dikte van de composietfilm was ongeveer 1 m en de dikte van de enkele ITO-laag was ongeveer 400 nm, wat vier keer zo groot was als de dikte van de Pt-13% Rh-laag

De soortelijke weerstand van de films werd gemeten met een vierpuntsprobe-methode, zoals weergegeven in tabel 2. De soortelijke weerstand van de als afgezette ITO/PtRh-composietfilm was een orde van grootte kleiner dan die van de afgezette ITO-film, vanwege de introductie van PtRh. Na gloeien in N₂ -Lucht, de soortelijke weerstand van de ITO-film nam iets af van 8,52 × 10⁻² Ω cm tot 7.55 × 10⁻² cm. En dit zou kunnen bijdragen aan de verdichting van de film en vermindering van defecten na gloeien. Integendeel, de soortelijke weerstand van ITO/PtRh composietfilm nam toe van 1,68 × 10⁻³ Ω cm tot 7.61 × 10⁻³ Ω cm na gloeien, wat voornamelijk verband hield met de selectieve oxidatie van rhodium aan het oppervlak van PtRh-film tijdens het gloeiproces [18].

Thermo-elektrische eigenschappen van ITO/PtRh:PtRh dunne-film thermokoppels

De statische kalibratieresultaten werden getoond in Fig. 4. De elektromotorische kracht (EMF) van ITO / PtRh:PtRh TFTC nam niet-lineair toe met toenemend temperatuurverschil tussen de hete junctie en de koude junctie, zoals weergegeven in Fig. 4a. Er is een verwaarloosbare variatie van EMV waargenomen in verschillende kalibratiecycli, wat wijst op een uitstekende stabiliteit en herhaalbaarheid van TFTC bij temperaturen tot 1000 °C.

De elektromotorische kracht (a ) en Seebeck-coëfficiënten (b ) van ITO/PtRh:PtRh TFTC. De variatie van de elektromotorische kracht (EMF) van ITO/PtRh:PtRh TFTC met temperatuur werd getoond in a . De EMF nam niet-lineair toe met toenemend temperatuurverschil tussen de warme junctie en de koude junctie. Er is een verwaarloosbare variatie van EMF in verschillende kalibratiecycli waargenomen, wat wijst op een uitstekende stabiliteit en herhaalbaarheid van TFTC bij temperaturen tot 1000 °C. De Seebeck-coëfficiënten van de TFTC met verschillende temperatuurgradiënten tussen warme en koude kruispunten worden weergegeven in b , die ook snel toenam met toenemende temperatuurgradiënt. We denken dat dit voornamelijk wordt veroorzaakt door de variatie van de Seebeck-coëfficiënt van ITO met toenemende temperatuur. Als gedegenereerd halfgeleidermateriaal varieert de Seebeck-coëfficiënt met het degeneratieniveau. Het degeneratieniveau zou geleidelijk afnemen met toenemende temperatuur totdat de intrinsieke excitatie optrad. Als gevolg hiervan nam de absolute waarde van de Seebeck-coëfficiënt van ITO aanzienlijk toe met toenemende temperatuur

De Seebeck-coëfficiënt (S ) wordt gedefinieerd als de helling van de EMF-curven bij een bepaalde temperatuur. De variatie van de Seebeck-coëfficiënten van TFTC's als functie van het temperatuurverschil wordt getoond in figuur 4b. Blijkbaar namen de Seebeck-coëfficiënten van de TFTC ook snel toe met toenemend temperatuurverschil. We denken dat dit voornamelijk wordt veroorzaakt door de variatie van de Seebeck-coëfficiënt van ITO. Als gedegenereerd halfgeleidermateriaal varieert de Seebeck-coëfficiënt met het degeneratieniveau. Het degeneratieniveau zou geleidelijk afnemen met toenemende temperatuur totdat de intrinsieke excitatie optrad. Als gevolg hiervan nam de absolute waarde van de Seebeck-coëfficiënt van ITO aanzienlijk toe met toenemende temperatuur [19, 20].

Vergeleken met traditionele S-type of R-type thermokoppels was de Seebeck-coëfficiënt van de TFTC kleiner. Wij zijn van mening dat dit kan worden toegeschreven aan Schottky-barrières tussen ITO en PtRh die de transportkenmerken van dragers in ITO/PtRh-composietfilm kunnen veranderen [21, 22]. De Seebeck-coëfficiënt van oxidehalfgeleider is sterk afhankelijk van de dragerconcentratie [23]. Als gedegenereerde halfgeleider kan de Seebeck-coëfficiënt van ITO worden beschreven door Vgl. (1):

$$ S\left({N}_D\right)=-{\left(\frac{\pi }{3{N}_D}\right)}^{\raisebox{1ex}{$2$}\!\ left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.}\frac{8{k}^2{m}^{\ast }T}{3e{\mathrm{\hslash}}^2} \links(A+\frac{3}{2}\rechts) $$ (1)

waar S (N _D ) is de Seebeck-coëfficiënt, k is de Boltzmann-constante, T is de absolute temperatuur, N _D is de dragerconcentratie, e is de elementaire lading van het elektron, m ^∗ is de effectieve massa, ħ is de gereduceerde constante van Planck, en A is de transportconstante [3, 7]. Het minimaliseren van variaties in de dragerconcentratie is dus een essentiële voorwaarde voor TFTC's met uitstekende stabiliteit en herhaalbaarheid. Afgezien van de vervanging van Tin-ionen, worden dragers in ITO-film gewoonlijk toegeschreven aan zuurstofvacatures, zoals getoond in Vgl. (2). Zuurstofvacatures worden de belangrijkste factor die de concentratie van dragers in ITO-film met vaste ingrediënten beïnvloedt.

$$ {O}_O^x\iff {V}_O^{\bullet \bullet }+2{e}^{\hbox{'}}+\frac{1}{2}{O}_2\left( \mathrm{g}\right) $$ (2)

De selectieve oxidatie van rhodium aan het oppervlak van de bovenste PtRh-laag vormt zuurstofdiffusiebarrières, die de ITO-laag isoleert van de externe zuurstofomgeving. Ondertussen zouden platina- en rhodiumatomen bij hoge temperatuur in de ITO-film diffunderen en zich scheiden aan de korrelgrens van de ITO-film. Als gevolg hiervan zouden de Schottky-barrières zich kunnen vormen aan de korrelgrenzen van ITO. De Schottky-barrières kunnen de lokale concentratie van zuurstofvacatures in ITO-film beperken. Als resultaat wordt de variatie van de dragerconcentratie van ITO-film geminimaliseerd. Al deze factoren leiden tot uitstekende stabiliteit bij hoge temperaturen en herhaalbaarheid van de thermo-elektrische respons van de TFTC.

De relatie tussen thermo-elektrische respons en temperatuurverschil kan worden beschreven volgens de volgende polynoomuitdrukking van de derde orde:

$$ E\left(\Delta T\right)=A{\left(\Delta T\right)}^3+B{\left(\Delta T\right)}^2+C\left(\Delta T \rechts)+D $$ (3)

waar ΔT is het toegepaste temperatuurverschil tussen de hete junctie en de koude junctie van TFTC's. A , B , C , en D zijn polynomiale constanten. D wordt gestaag op nul gezet om aan de randvoorwaarde te voldoen (E (ΔT ) = 0, als ΔT = 0).

De montageresultaten van TFTC worden weergegeven in tabel 3. De coëfficiënten van verschillende kalibratiecycli zijn dichtbij, wat wijst op een uitstekende stabiliteit en herhaalbaarheid van de TFTC. De gemiddelde Seebeck-coëfficiënten van drie kalibratiecycli waren 2,19 μV/°C. We denken dat dit verband houdt met de vorming van Schottky-barrières aan de korrelgrenzen. De Schottky-barrière zou niet alleen de zuurstofvacatures in ITO stabiliseren, maar ook de korrelgrensverstrooiing van de ladingsdragers van ITO versterken, wat een belangrijke rol speelt in ITO-films, vooral bij hoge temperaturen [24]. Als gevolg hiervan namen de Seebeck-coëfficiënten van TFTC af. Desondanks bleef de TFTC in goede staat na meerdere kalibratiecycli met temperaturen tot 1000 °C, wat betekent dat de levensduur van ITO/PtRh:PtRh TFTC meer dan 30 uur is in ruwe omgevingen. Dit maakt ITO/PtRh:PtRh TFTC een veelbelovende kandidaat voor nauwkeurige meting van de oppervlaktetemperatuur van hete onderdelen van vliegtuigmotoren.

Conclusies

Samenvattend werden ITO-dunne film en ITO/PtRh-composietfilm afgezet op aluminiumoxidesubstraat door magnetronverstuiving bij kamertemperatuur en uitgegloeid. De soortelijke weerstand van de ITO-film nam licht af na gloeien, terwijl de soortelijke weerstand van de ITO/PtRh-composietfilm aanzienlijk toenam tot de selectieve oxidatie van Rhodium aan het oppervlak van de PtRh-film. De ITO/PtRh:PtRh TFTC met meerlagige structuur werd gefabriceerd en statisch gekalibreerd van 300 tot 1000 °C. Vanwege zuurstofdiffusiebarrières door de oxidatie van de bovenste PtRh-laag en Schottky-barrières gevormd aan de korrelgrenzen van ITO, wordt de variatie van de dragerconcentratie van ITO-film geminimaliseerd, wat leidt tot uitstekende stabiliteit bij hoge temperatuur en herhaalbaarheid van de TFTC. De gemiddelde Seebeck-coëfficiënten in kalibratie met 3 cycli waren 2,19 μV/°C en de levensduur van de TFTC is meer dan 30 uur in ruwe omgevingen. Het is de moeite waard om op te merken dat afgezien van gloeien bij hoge temperatuur en stikstofdoping, er een nieuwe methode beschikbaar is om de stabiliteit van thermo-elektrische eigenschappen van ITO-film te verbeteren, vooral bij hoge temperaturen waarin vliegtuigmotoren over het algemeen worden gebruikt.

Afkortingen

EMF:: Elektromotorische kracht
S:: Seebeck-coëfficiënt
SEM:: Scanning elektronenmicroscopie
TFTC's:: Dunne film thermokoppels
XRD:: Röntgendiffractie

De structurele, elektronische en magnetische eigenschappen van Ag n V-clusters (n = 1–12) onderzoeken Een onderzoek naar een kristallijn-silicium zonnecel met zwarte siliciumlaag aan de achterkant

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal