T∕CSTM 00591-2022 石墨烯-銅薄膜材料電導(dǎo)率測量 范德堡法

1、ICS 17. 220CCS H 21團(tuán) 體 標(biāo) 準(zhǔn)T/CSTM 005912022石墨烯-銅薄膜材料電導(dǎo)率測量范德堡法Measurement of the conductivity of graphene-copper film materialsVan der Pauw method2022-01-10 發(fā)布2022-04-10 實施中關(guān)村材料試驗技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布T/CSTM 005912022目次前言II引言III1 范圍12 規(guī)范性引用文件13 術(shù)語和定義14 原理15 儀器設(shè)備16 樣品及樣品準(zhǔn)備27 測試過程28 不確定度評定59 報告6附錄 A（資料性）石墨烯-銅薄膜樣品測試示例7附

2、錄 B（資料性）測試報告格式10附錄 C（資料性）起草單位和主要起草人11參考文獻(xiàn)12IT/CSTM 005912022前言本文件參照GB/T 1.1-2020 標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則 第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則給出的規(guī)則起草。請注意本文件的某些內(nèi)容有可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別這些專利的責(zé)任。本文件由中國材料與試驗團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會基礎(chǔ)與共性技術(shù)領(lǐng)域委員會（CSTM/FC00）提出。 本文件由中國材料與試驗團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會基礎(chǔ)與共性技術(shù)領(lǐng)域委員會（CSTM/FC00）歸口。II庫七七 標(biāo)準(zhǔn)下載T/CSTM 005912022引言石墨烯-銅薄膜材料是一種銅基復(fù)合材料，具有優(yōu)越的導(dǎo)電性能

3、，可廣泛應(yīng)用于電機(jī)、變壓器、新能源汽車、電力電纜等工業(yè)驅(qū)動領(lǐng)域，也可應(yīng)用于通訊芯片、工控芯片、電力電子、電路等高端裝備， 其生產(chǎn)和應(yīng)用已經(jīng)逐步邁進(jìn)產(chǎn)業(yè)化階段。石墨烯-銅薄膜材料常規(guī)電阻率< 1.6x 10-8·m，精確測定其電阻率非常困難，且沒有形成統(tǒng)一、規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。因此，制定一種準(zhǔn)確、規(guī)范的石墨烯-銅薄膜材料電導(dǎo)率測量方法，精確測定石墨烯-銅薄膜材料電導(dǎo)率，為生產(chǎn)企業(yè)、用戶及質(zhì)量監(jiān)督檢查單位提供準(zhǔn)確可靠的測試標(biāo)準(zhǔn)，對提高石墨烯-銅薄膜材料的產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)行業(yè)的健康發(fā)展具有重大意義。本文件給出了采用范德堡法測量石墨烯-銅薄膜材料整體電導(dǎo)率的方法，操作簡單、測量信號強(qiáng)、測量重復(fù)性

4、好，測量不確定度較低，可以為石墨烯-銅薄膜材料的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)。III庫七七 標(biāo)準(zhǔn)下載石墨烯-銅薄膜材料電導(dǎo)率測量 范德堡法1 范圍本文件規(guī)定了范德堡法測量石墨烯-銅薄膜材料電導(dǎo)率的術(shù)語和定義、原理、儀器設(shè)備、樣品及樣品準(zhǔn)備、測量過程、不確定度評定和報告。本文件適用于石墨烯-銅復(fù)合材料制成的薄膜樣品體積電阻率、電導(dǎo)率的測量。所提供的方法適合測量體積電阻率大于1×10-8 ·m且樣品平均厚度在0.1 mm3 mm范圍內(nèi)的薄膜或者薄片狀樣品。2 規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件， 僅該日期對應(yīng)的

5、版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T 351 金屬材料電阻率測量方法GB/T 32791 銅及銅合金導(dǎo)電率渦流測量方法JJF 1059.1-2012 測量不確定度評定與表示JJF 1516 非鐵磁金屬電導(dǎo)率樣（塊）校準(zhǔn)規(guī)范T/CSTM 00166.1 石墨烯材料表征 第1部分 拉曼光譜法T/CSTM 00166.2 石墨烯材料表征 第2部分 X射線衍射法T/CSTM 00166.3 石墨烯材料表征 第3部分 透射電子顯微鏡法3 術(shù)語和定義GB/T 351、GB/T 32791、JJF 1059.1、JJF 1516、T/CSTM 00166

6、.1、T/CSTM 00166.2和T/CSTM 00166.3中界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1石墨烯-銅薄膜材料 graphene-copper film materials厚度介于微米到毫米的薄片狀石墨烯增強(qiáng)銅基金屬復(fù)合材料。4 原理本文件的測量方法基于范德堡(Van der Pauw)法，該方法是一種常用的測量樣品電阻率的方法，能夠精確測量任意形狀的無孔二維樣品（即樣品的厚度遠(yuǎn)小于樣品的長和寬）。測量時，圍繞樣品周圍放置四點(diǎn)探針，相鄰兩點(diǎn)探針加電流，另外兩點(diǎn)探針測量電壓，再通過數(shù)學(xué)公式計算得到體積電阻率的值。5 儀器設(shè)備5.1 設(shè)備構(gòu)成及連接方式儀器設(shè)備應(yīng)包含：恒流源、標(biāo)準(zhǔn)

7、采樣電阻、數(shù)字多用表、納伏表和樣品夾具等。其連接方式如圖 1所示。其中，恒流電源接電流端，提供測量需要的電流。標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻和數(shù)字多用表用于確定電流大小。1納伏表用于測量電壓。圖 1 儀器設(shè)備連接方式5.2 樣品夾具連接被測樣品的夾具接觸端應(yīng)具有彈簧壓緊功能，保證能與被測試樣實現(xiàn)良好電接觸，避免因接觸 不良導(dǎo)致的測量端電壓為零或電壓不穩(wěn)定。觸點(diǎn)與樣品的接觸面積應(yīng)盡可能小。觸頭圓角半徑應(yīng)不大于 2 mm。5.2 儀器和試劑5.2.1 標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻：最大允許誤差為±0.1%；5.2.2 恒流電源：直流電流輸出范圍 1 A5 A，輸出電流穩(wěn)定度優(yōu)于 0.01%；5.2.3 數(shù)字多用表：直流電

8、壓測量范圍不低于 10 V，最大允許誤差為±0.02%；5.2.4 納伏表：直流電壓測量范圍 1 nV10 mV，最大允許誤差為±（0.0025%×讀數(shù)+0.0020%×量程）；5.2.5 長度測量儀器：最小分度值不大于 0.01 mm；5.2.6 溫度計：示值誤差應(yīng)不大于 0.1 ；5.2.7 精密天平：具有密度測量功能，質(zhì)量測量最大允許誤差為±0.1 mg；5.2.8 密度測量用試劑：蒸餾水或 75%濃度酒精，需要明確測量時的溫度條件下的密度。6 樣品及樣品準(zhǔn)備6.1 被測樣品應(yīng)表面平整，樣品表面和四周應(yīng)無銹跡或污點(diǎn)；6.2 樣品厚度均勻，

9、最小厚度和最大厚度比值不超過 10%；6.3 樣品形狀應(yīng)為圓形或矩形；6.4 樣品直徑或邊長應(yīng)在 20 mm50 mm 之間；6.5 樣品厚度應(yīng)在 0.1 mm3 mm 之間；6.6 在不破壞樣品的情況下，使用金屬拋光膏或其它清潔材料清除樣品表面的銹跡或污點(diǎn)，然后用酒精 將樣品清洗干凈并晾干待用。7 測試過程7.1 溫度控制環(huán)境溫度應(yīng)控制在（20±5）范圍內(nèi)。7.2 樣品平均厚度的測量7.2.1 樣品質(zhì)量和密度的測量2樣品的質(zhì)量 m 和密度¶ 使用 5.2.7 精密天平進(jìn)行測量，質(zhì)量直接由天平讀取讀數(shù)得到，樣品的體積使用排水法進(jìn)行測量，從而得到樣品的密度。測量前使用按照第

10、6 章的規(guī)定準(zhǔn)備樣品，然后天平安裝好密度測量組件，倒入純凈水或酒精，輸入純凈水或酒精的密度，之后將晾干的樣品放入液體中，選擇天平的密度測量功能，讀取測量樣品密度。 密度的具體測量方法參見所用天平的說明書。對于已知密度的樣品，此步驟可以省略。7.2.2 樣品面積的測量7.2.2.1 矩形樣品面積測量測量矩形樣品的長度和寬度，在長度和寬度方向等距離選取 5 個點(diǎn)重復(fù)測量，取算術(shù)平均值。利用公式（1）計算樣品面積。A = L× W(1)式中：L-樣品長度平均值，單位為 m； W -樣品寬度平均值，單位為 m； A -樣品的表面積，單位為 m2。7.2.2.2 圓形樣品面積測量測量圓形樣品的

11、直徑，沿圓周長等距離選取 5 個點(diǎn)重復(fù)測量，取算術(shù)平均值。利用公式（2）計算樣品面積。pd2A =(2)4式中：d -樣品直徑平均值，單位為 m；A -圓形樣品的面積，單位為 m2。7.2.3 樣品平均厚度的計算樣品的平均厚度的按照公式（3）計算得到。h =m(3)式中：h-樣品平均厚度，單位為 m；m-樣品質(zhì)量，單位為 kg；¶ -樣品密度，單位為 kg/m3。7.3 電導(dǎo)率的測量7.3.1 放置樣品¶ × A按照圖 1 所示，將被測樣品放置到樣品夾具中，保證被測樣品與四個觸點(diǎn)良好電接觸，觸點(diǎn)位置在樣品周圍對稱分布。7.3.2 連接儀器將 A、B 接觸端與電流源

12、連接，C、D 接觸端與納伏表（5.2.4）連接。3T/CSTM 0059120227.3.3 電流 IAB的確定根據(jù)被測樣品的厚度和測量電壓信號的大小選取合適的電流值，推薦測量電流值范圍為 1 A5 A。電流太大雖然會提高電壓信號，但是會導(dǎo)致樣品發(fā)熱從而引起電壓信號不穩(wěn)定。電流大小可參考表 1 進(jìn)行設(shè)定。表 1 不同厚度時測量電流的推薦值樣品平均厚度范圍（mm）設(shè)定電流（A）0.1h 0.410.4h 0.820.8h 1.231.2h 1.641.6h 3.057.3.4 D、C 端電壓U DC 的測量為了消除熱電勢的影響，應(yīng)先后兩次在同一組電流端子注入大小相等方向相反的電流。首先按照 7.

13、3.3 設(shè)置電流源的電流 IAB，電流穩(wěn)定后讀取納伏表的讀數(shù)UDC1 ；然后將電流置零，將電流的輸入端 A、B 交換，重新設(shè)置電流輸出大小為 IAB，讀取納伏表的讀數(shù)UDC2 。D、C 端電壓U DC 按照公式（4）計算。10UDC= UDC1- UDC 22(4)7.3.5 A、D 端電壓U AD 的測量設(shè)置電流源的電流 IBC 等于 IAB，電流穩(wěn)定后讀取納伏表的讀數(shù)UAD1 ；然后將電流置零，將電流的輸入端 B、C 交換，重新設(shè)置電流輸出大小為 IBC ，讀取納伏表的讀數(shù)UAD2 。A、D 端電壓U AD 按照公式（5）計算。7.3.6 電阻率r計算UAD= UAD1- UAD 22(5

14、)電阻率按照公式（6）計算：r= ph(UDC + U AD ) f(6)2 ln 2I ABIBC式中：r-電阻率，單位為歐姆米（·m）；UDC -接觸端 D、C 之間的電壓，單位為毫伏（V）； U AD -接觸端 A、D 之間的電壓，單位為毫伏（V）； I AB -接觸端 A、B 之間的輸入電流，單位為安培（A）； IBC -接觸端 B、C 之間的輸入電流，單位為安培（A）。f -修正系數(shù)。其大小可以按照公式（7）計算得到。f = 1- (RAB,DC - RBC , AD RAB,DC + RBC , AD)2 ln 22- ( RAB,DC - RBC , AD RAB,DC

15、 + RBC , AD)4 (ln 2)22(ln 2)3-)2(7)式中：R= UDCAB ,DCI ABR= U ADBC , AD7.3.7 電導(dǎo)率s計算IBC電導(dǎo)率是體積電阻率的倒數(shù)，按照公式（8）進(jìn)行換算可以得到不同的單位量綱下的電導(dǎo)率值。樣 品的測試示例參見附錄 A。s=1 / r（ S/m）=1/r*100/58*1000000 (IACS)（8）8 不確定度評定8.1 不確定度的 A 類 uA評定A 類不確定度 uA 來源于測量重復(fù)性引入的不確定度，每個樣品應(yīng)至少重復(fù)測量 3 次（n3），則 A1n -1 i=1nå(xi - x)2類標(biāo)準(zhǔn)不確定度 uA 按照公式（9

16、）進(jìn)行計算，A 類評定的詳細(xì)流程可參考 JJF 1059.1 中 4.3.2 中規(guī)定。式中：n重復(fù)測量總次數(shù)；i測量次數(shù)序號，i=1, 2n；xi第 i 次測量值；x n 個測量值的平均值。8.2 不確定度的 B 類 uB 評定uA =（9）B類評定的不確定度分量uB包含樣品的厚度測量引入的不確定度u1、電流設(shè)置引入的不確定度u2和電壓測量引入的不確定度u3。B類不確定度按照公式（10）進(jìn)行計算：u 2 + u 2 +u3212uB =（10）8.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度 uC合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc,，按照公式（11）計算：uA + uB22uc =（11）8.4 擴(kuò)展不確定度的評定對于正態(tài)分布，置

17、信水平為 95時，包含因子 k=2，則擴(kuò)展不確定度 U 按照公式（12）計算：U = k ´ uc（12）9 報告報告包含但不限于以下信息（具體報告格式參見附錄B）：a) 實驗環(huán)境條件；b) 測定試樣：樣品名稱、編號、規(guī)格、平均厚度、面積；c) 儀器設(shè)備：設(shè)備型號、規(guī)格、測量范圍、溯源證書編號、計量有效期；d) 測試結(jié)果：設(shè)置電流的大??；電壓端連接不同端子時測得的電壓的數(shù)值；電阻率和電導(dǎo)率數(shù)值。使用方法標(biāo)準(zhǔn)的版本號；測試日期；測試單位及測試人等。附 錄 A（資料性）石墨烯-銅薄膜樣品測試示例A.1 本示例選取了一個邊長為30 mm，厚度為0.23 mm的石墨烯-銅薄膜樣品，圖A.1為

18、樣品夾具的示意圖，測量過程如下：圖A.1 樣品夾具示意圖A.1.1 讀取溫度計的讀數(shù)，記錄到原始記錄中，同時記錄測量的日期等相關(guān)信息。A.1.2 使用金屬拋光膏或其它清潔材料清除樣品表面的銹跡或污點(diǎn)，然后用酒精將樣品清洗干凈并晾干 待用。A.1.3 使用游標(biāo)卡尺測量樣品的邊長，兩個方向等距離各測量5次，并計算5次的平均值。A.1.4 使用精密天平（5.2.7）測量樣品質(zhì)量和密度，具體過程如下：天平安裝密度組件，在密度組件的容器中倒入純凈水，之后按照天平的說明和提示完成測量，同時 可以得到質(zhì)量和密度的讀數(shù)。按照同樣的方法，進(jìn)行5次重復(fù)測量，并計算5次平均值。測量結(jié)果均記錄 到原始記錄中。A.1.

19、5 按照公式（3）計算樣品的平均厚度，并記錄。A.1.6 將樣品放置到樣品夾具中，并保證被測樣品與四個觸點(diǎn)良好接觸，將A、B接觸端與電流源連接，C、D接觸端與納伏表連接。A.1.7 設(shè)置輸出電流為1A，讀取納伏表讀數(shù)為0.0148 mV，大于0.01 mV，因此確定后續(xù)測量采用1 A電流進(jìn)行。A.1.8 電壓U DC 的測量設(shè)置輸出電流為1 A，電流穩(wěn)定后讀取納伏表的讀數(shù)UDC1 ，并記錄；然后將電流置零， 將電流的輸入端A、B交換，再設(shè)置電流輸出大小為1 A，讀取納伏表的讀數(shù)UDC2 并紀(jì)錄，根據(jù)公式（4）計算出U DC ，并記錄。A.1.9 電壓U AD 的測量改變電壓和電流的接線端子，將

20、 B、C 接觸端與電流源連接，A、D 接觸端與納伏表連接，重新設(shè)置電流源的輸出電流為 1 A，同時讀取納伏表的讀數(shù)UAD1 并紀(jì)錄；然后將電流置零，將電流的輸入端 B、C 交換，再設(shè)置電流輸出大小為 1 A，讀取納伏表的讀數(shù)UAD2 并紀(jì)錄。同樣按照公式（5）計算的到U AD并記錄。A.1.10 將樣品取出，重新放入夾具，重復(fù)A.1.8和A.1.9的操作。一共重復(fù)測量3次。A.1.11 根據(jù)公式（6）和（7）計算各次測量的電阻率，并記錄。A.1.12 根據(jù)公式（8）計算出電導(dǎo)率，并記錄。A.1.13 根據(jù)不確定評定，評定測量結(jié)果的不確定度。A.2 測量示例的原始記錄測試日期： 2021年8月1

21、2日環(huán)境溫度（）： 261. 送檢單位信息：送檢名稱： /聯(lián)系人： /聯(lián)系地址： /2. 測試儀器：名稱： 電阻率測量儀型號規(guī)格： /測量范圍：電阻率大于 1×10-8·m3. 測試依據(jù)：測試標(biāo)準(zhǔn)： 本標(biāo)準(zhǔn)4. 測試樣品：樣品名稱： 石墨烯-銅薄膜型號規(guī)格： 30 mm×30 mm生產(chǎn)廠商： /樣品編號： 3#5. 樣品參數(shù)記錄（參見樣品參數(shù)記錄表A.1）。表 A.1 樣品參數(shù)記錄表測量次數(shù)12345平均值長度 L（mm）30.1030.0930.0830.0830.0930.09寬度 W(mm)30.0730.0730.0830.0630.0730.07質(zhì)量 m

22、 (g)1.848011.848011.846311.847981.848171.8477密度¶ (g/cm3)8.8618.8528.8708.8958.9118.88厚度 h（mm）0.23006. 數(shù)據(jù)記錄（參見數(shù)據(jù)記錄表A.2）表A.2數(shù)據(jù)記錄表測量次數(shù)電流（A）UDC1（mV）UDC2（mV）U DC（mV）UAD1（mV）UAD2（mV）U AD（mV）電阻率 （×10-8m）11.00010.014840.014370.014610.015110.015470.015291.55821.00020.014720.014290.014510.015220.015

23、410.015321.56131.00010.014880.014320.014600.015310.015370.015341.563平均值/1.561電導(dǎo)率 IACS110.5電導(dǎo)率（MS/m）64.1測量結(jié)果不確定度Urel（k=2）1.34%A.3 不確定度評定A.3.1 測量不確定度 A 類評定根據(jù)表 A.2 的測量結(jié)果，按照公式（9）計算 3 次重復(fù)測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.132%, 則 A 類標(biāo)準(zhǔn)不確定的 uA=0.132%。A.3.2 測量不確定度 B 類評定B 類評定的不確定度分量 uB 包含樣品的厚度測量引入的不確定度 u1、電流設(shè)置引入的不確定度u2 和電壓測量引入的不確定

24、度 u3，分別計算如下：A.3.2.1 厚度測量引入的不確定度 u1厚度測量不確定度包含了質(zhì)量測量、密度測量和面積測量引入的不確定度，合成后得到樣品厚度 的測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u1=0.602%。A.3.2.2 電流設(shè)定測量引入的不確定度 u2電流的大小是通過數(shù)字多用表測量標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓來確定的，因此電流設(shè)定的不確定度包含 電壓表的不確定度和標(biāo)準(zhǔn)電阻的不確定度兩部分，經(jīng)計算得到電流的測量不確定度 u2=0.005%。A.3.2.3 電壓測量引入的不確定度 u3電壓是通過納伏表測量得到的，因此測量不確定度來源于納伏表，根據(jù)納伏表的技術(shù)指標(biāo)計算其 測量不確定度 u3=0.135%。按照公式（10

25、），可計算得到uB=0.660%。A.3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度將以上結(jié)果，按照公式（11）進(jìn)行計算，得到合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc=0.67%。A.3.4 擴(kuò)展不確定度按照公式（12）計算得到擴(kuò)展不確定度Urel =1.34% (k=2)。附 錄 B（資料性） 測試報告格式測試日期： 環(huán)境溫度（）： 1 送檢單位信息單位名稱： 聯(lián)系人： 聯(lián)系地址： 2 測試儀器名稱： 型號規(guī)格： 測量范圍： 3 測試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)： 4 測試樣品樣品名稱： 型號規(guī)格： 生產(chǎn)廠商： 樣品編號： 5 樣品參數(shù)記錄（參見樣品參數(shù)記錄表 A.1 中）表 A.1 樣品參數(shù)記錄表測量次數(shù)12345平均值長度 L（mm）寬度 W(mm)質(zhì)量 m (g)密度¶ (g/cm3)平均厚度 h（mm）6 數(shù)據(jù)記錄（參見數(shù)據(jù)記錄表A.2）表A.2 數(shù)據(jù)記錄表測量次數(shù)電流（A）UDC1（mV）UDC2（mV）U DC（mV）UAD1（mV）UAD2（mV）U AD（mV）電阻率 （