T-CSTM 00591-2022 石墨烯-銅薄膜材料電導率測量 范德堡法

ICS17.220CCSH21Measurementoftheconductivityofgraphene-copperfilmmaterials2022-01-10發(fā)布中關村材料試驗技術聯(lián)盟發(fā)布T/CSTM00591—2022 II III 2規(guī)范性引用文件 13術語和定義 14原理 5儀器設備 16樣品及樣品準備 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附錄B（資料性）測試報告格式 附錄C（資料性）起草單位和主要起草人 11參考文獻 T/CSTM00591—2022本文件參照GB/T1.1-2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》給出的規(guī)則起草。請注意本文件的某些內容有可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別這些專利的責任。本文件由中國材料與試驗團體標準委員會基礎與共性技術領域委員會（CSTM/FC00）提出。本文件由中國材料與試驗團體標準委員會基礎與共性技術領域委員會（CSTM/FC00）歸口。T/CSTM00591—2022石墨烯-銅薄膜材料是一種銅基復合材料，具有優(yōu)越的導電性能，可廣泛應用于電機、變壓器、新能源汽車、電力電纜等工業(yè)驅動領域，也可應用于通訊芯片、工控芯片、電力電子、電路等高端裝備，其生產和應用已經逐步邁進產業(yè)化階段。石墨烯-銅薄膜材料常規(guī)電阻率<1.6x10-8Ω·m，精確測定其電阻率非常困難，且沒有形成統(tǒng)一、規(guī)范的標準。因此，制定一種準確、規(guī)范的石墨烯-銅薄膜材料電導率測量方法，精確測定石墨烯-銅薄膜材料電導率，為生產企業(yè)、用戶及質量監(jiān)督檢查單位提供準確可靠的測試標準，對提高石墨烯-銅薄膜材料的產品質量，促進行業(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率的方法，操作簡單、測量信號強、測量重復性好，測量不確定度較低，可以為石墨烯-銅薄膜材料的研究、生產和應用提供可靠的數(shù)據(jù)。T/CSTM00591—20221石墨烯-銅薄膜材料電導率測量范德堡法本文件規(guī)定了范德堡法測量石墨烯-銅薄膜材料電導率的術語和定義、原理、儀器設備、樣品及樣品準備、測量過程、不確定度評定和報告。本文件適用于石墨烯-銅復合材料制成的薄膜樣品體積電阻率、電導率的測量。所提供的方法適合測量體積電阻率大于1×10-8Ω·m且樣品平均厚度在0.1mm~3mm范圍內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容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；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/T351金屬材料電阻率測量方法GB/T32791銅及銅合金導電率渦流測量方法JJF1059.1-2012測量不確定度評定與表示JJF1516非鐵磁金屬電導率樣（塊）校準規(guī)范T/CSTM00166.1石墨烯材料表征第1部分拉曼光譜法T/CSTM00166.2石墨烯材料表征第2部分X射線衍射法T/CSTM00166.3石墨烯材料表征第3部分透射電子顯微鏡法3術語和定義GB/T351、GB/T32791、JJF1059.1、JJF1516、T/CSTM00166.1、T/CSTM00166.中界定的以及下列術語和定義適用于本文件。3.1石墨烯-銅薄膜材料graphene-copperfilmmaterials厚度介于微米到毫米的薄片狀石墨烯增強銅基金屬復合材料。4原理本文件的測量方法基于范德堡(VanderPauw)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（即樣品的厚度遠小于樣品的長和寬）。測量時，圍繞樣品周圍放置四點探針，相鄰兩點探針加電流，另外兩點探針測量電壓，再通過數(shù)學公式計算得到體積電阻率的值。5儀器設備5.1設備構成及連接方式儀器設備應包含：恒流源、標準采樣電阻、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。標準采樣電阻和數(shù)字多用表用于確定電流大小。T/CSTM00591—20222納伏表用于測量電壓。圖1儀器設備連接方式5.2樣品夾具連接被測樣品的夾具接觸端應具有彈簧壓緊功能，保證能與被測試樣實現(xiàn)良好電接觸，避免因接觸不良導致的測量端電壓為零或電壓不穩(wěn)定。觸點與樣品的接觸面積應盡可能小。觸頭圓角半徑應不大于2mm。5.2儀器和試劑5.2.1標準采樣電阻：最大允許誤差為±0.1%；5.2.2恒流電源：直流電流輸出范圍1A~5A，輸出電流穩(wěn)定度優(yōu)于0.01%；5.2.3數(shù)字多用表：直流電壓測量范圍不低于10V，最大允許誤差為±0.02%；5.2.4納伏表：直流電壓測量范圍1nV~10mV，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0.01mm；5.2.6溫度計：示值誤差應不大于0.1℃;5.2.7精密天平：具有密度測量功能，質量測量最大允許誤差為±0.1mg；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樣品及樣品準備6.1被測樣品應表面平整，樣品表面和四周應無銹跡或污點；6.2樣品厚度均勻，最小厚度和最大厚度比值不超過10%；6.3樣品形狀應為圓形或矩形；6.4樣品直徑或邊長應在20mm~50mm之間；6.5樣品厚度應在0.1mm~3mm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，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)境溫度應控制在（20±5）℃范圍內。7.2樣品平均厚度的測量7.2.1樣品質量和密度的測量3T/CSTM00591—2022樣品的質量m和密度?使用5.2.7精密天平進行測量，質量直接由天平讀取讀數(shù)得到，樣品的體積使用排水法進行測量，從而得到樣品的密度。測量前使用按照第6章的規(guī)定準備樣品，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個點重復測量，取算術平均值。利用公式（1）計算樣品面積。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直徑，沿圓周長等距離選取5個點重復測量，取算術平均值。利用公式（2）計算樣品面積。(2)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。(3)式中：h-樣品平均厚度，單位為m；m-樣品質量，單位為kg；?-樣品密度，單位為kg/m3。7.3電導率的測量7.3.1放置樣品按照圖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良好電接觸，觸點位置在樣品周圍對稱分布。7.3.2連接儀器將A、B接觸端與電流源連接，C、D接觸端與納伏表（5.2.4）連接。T/CSTM00591—20227.3.3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1A~5A。電流太大雖然會提高電壓信號，但是會導致樣品發(fā)熱從而引起電壓信號不穩(wěn)定。電流大小可參考表1進行設定。表1不同厚度時測量電流的推薦值123457.3.4D、C端電壓UDC的測量為了消除熱電勢的影響，應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7.3.3設置電流源的電流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，重新設置電流輸出大小為IAB，讀取納伏表的讀數(shù)UDC2。D、C端電壓UDC按照公式（4）計算。(4)7.3.5A、D端電壓UAD的測量設置電流源的電流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，重新設置電流輸出大小為IBC，讀取納伏表的讀數(shù)UAD2。A、D端電壓UAD按照公式（5）計算。(5)7.3.6電阻率P計算電阻率按照公式（6）計算：式中：P-電阻率，單位為歐姆米(Ω·mUDC-接觸端D、C之間的電壓，單位為毫伏（VUAD-接觸端A、D之間的電壓，單位為毫伏（VIAB-接觸端A、B之間的輸入電流，單位為安培（AIBC-接觸端B、C之間的輸入電流，單位為安培（A）。T/CSTM00591—20225f-修正系數(shù)。其大小可以按照公式（7）計算得到。式中：7.3.7電導率σ計算電導率是體積電阻率的倒數(shù)，按照公式（8）進行換算可以得到不同的單位量綱下的電導率值。樣品的測試示例參見附錄A。σ=1/P（S/m）=1/P*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來源于測量重復性引入的不確定度，每個樣品應至少重復測量3次（n≥3則A類標準不確定度uA按照公式（9）進行計算，A類評定的詳細流程可參考JJF1059.1中4.3.2中規(guī)定。（9）式中：n——重復測量總次數(shù)；i——測量次數(shù)序號，i=1,2…n；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）進行計算：（10）8.3合成標準不確定度uC合成標準不確定度uc,，按照公式（11）計算：8.4擴展不確定度的評定T/CSTM00591—20226對于正態(tài)分布，置信水平為95％時，包含因子k=2，則擴展不確定度U按照公式（12）計算：c（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Ba)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)儀器設備：設備型號、規(guī)格、測量范圍、溯源證書編號、計量有效期；d)測試結果：——設置電流的大?。弧妷憾诉B接不同端子時測得的電壓的數(shù)值；——電阻率和電導率數(shù)值?！褂梅椒藴实陌姹咎枺弧獪y試日期；——測試單位及測試人等。T/CSTM00591—20227（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30mm，厚度為0.23mm的石墨烯-銅薄膜樣品，圖A.1為樣品夾具的示意圖，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，然后用酒精將樣品清洗干凈并晾干待用。A.1.3使用游標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，同時可以得到質量和密度的讀數(shù)。按照同樣的方法，進行5次重復測量，并計算5次平均值。測量結果均記錄到原始記錄中。A.1.5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設置輸出電流為1A，讀取納伏表讀數(shù)為0.0148mV，大于0.01mV，因此確定后續(xù)測量采用1A電流進行。A.1.8電壓UDC的測量設置輸出電流為1A，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，將電流的并記錄。A.1.9電壓UAD的測量改變電壓和電流的接線端子，將B、C接觸端與電流源連接，A、D接觸端與納伏表連接，重新設置電流源的輸出電流為1A，同時讀取納伏表的讀數(shù)UAD1并紀錄；然后將電流置零，將電流的輸入端B、T/CSTM00591—20228C交換，再設置電流輸出大小為1A，讀取納伏表的讀數(shù)UAD2并紀錄。同樣按照公式（5）計算的到UAD并記錄。A.1.10將樣品取出，重新放入夾具，重復A.1.8和A.1.9的操作。一共重復測量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）計算出電導率，并記錄。A.1.13根據(jù)不確定評定，評定測量結果的不確定度。A.2測量示例的原始記錄測試日期：2021年8月12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1×10-8Ω·m3.測試依據(jù)：測試標準：本標準4.測試樣品：樣品名稱：石墨烯-銅薄膜型號規(guī)格：30mm×30mm生產廠商：/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質量m(g)1.848011.848011.846311.847981.848171.84778.8618.8528.8708.8958.9118.88厚度h（mm）0.23006.數(shù)據(jù)記錄（參見數(shù)據(jù)記錄表A.2）T/CSTM00591—20229表A.2數(shù)據(jù)記錄表測量UUUUUDCUAD1UUAD2UUAD電阻率ρ次數(shù)（mV）（mV）（mV）（mV）（mV）（mV）(×10-8Ωm）11.00010.014840.014370.014610.015110.015470.0152921.00020.014720.014290.014510.015220.015410.0153231.00010.014880.014320.014600.015310.015370.01534平均值///////電導率IACS64.1（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的測量結果，按照公式（9）計算3次重復測量的標準偏差為0.132%,則A類標準不確定的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、電流設置引入的不確定度u2和電壓測量引入的不確定度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準不確定度u1=0.602%。A.3.2.2電流設定測量引入的不確定度u2電流的大小是通過數(shù)字多用表測量標準電阻兩端的電壓來確定的，因此電流設定的不確定度包含電壓表的不確定度和標準電阻的不確定度兩部分，經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)納伏表的技術指標計算其測量不確定度u3=0.135%。按照公式（10），可計算得到uB=0.660%。A.3.3合成標準不確定度將以上結果，按照公式（11）進行計算，得到合成標準不確定度uc=0.67%。A.3.4擴展不確定度按照公式（12）計算得到擴展不確定度Urel=1.34%(k=2)。T/CSTM00591—2022（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)標準：4測試樣品樣品名稱：型號規(guī)格：生產廠商：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