四探针法测量Ti-Al-C薄膜的电阻率

Ti-Al-C 薄膜作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）金属双极板表面改性材料，其导电性能直接影响电池堆的输出效率，电阻率是评估该性能的核心指标。本文基于中频磁控溅射制备的 Ti-Al-C 薄膜，采用Xfilm埃利四探针技术对不同基底（不锈钢 316L、石英片）、不同制备温度（500-750℃）的薄膜电阻率进行测量，分析温度对薄膜电阻率的影响规律，为 Ti-Al-C 薄膜在燃料电池双极板领域的应用提供数据支撑。

 

四探针测试原理图

四探针法通过在薄膜表面布置四根等间距探针，在外侧两探针间通入恒定电流I，测量内侧两探针间的电势差V23，结合薄膜厚度d，利用薄层电阻公式计算电阻率：

 

该方法能有效避免接触电阻的影响，适用于不同基底上薄膜的面内电阻率测量。实验中采用四探针测试仪，探针间距为1 mm，测试电流为10 mA，分别在不锈钢和石英片基底上进行测量，以排除基底导电性对测试结果的干扰。

 

实验方案

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采用中频磁控溅射技术，以TiAlC（44%/17%/39%）为靶材，在不锈钢316L 和石英片基底上制备 Ti-Al-C 薄膜。先沉积Ti 过渡层提升结合力，再于 500-750℃设 6 个温度梯度，每组溅射3h、保温 30min 后以 5℃/min 降温。采用四探针测试仪测量电阻率，探针间距1mm，施加恒定小电流避免样品发热。为排除干扰，分别测试双基底薄膜，不锈钢基底电阻率约7.1×10⁻⁶Ω⋅m，用于对比。

 

不锈钢基底的Ti-Al-C薄膜电阻率

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不锈钢基底不同温度下薄膜的电阻率

不锈钢基底上Ti-Al-C 薄膜的电阻率均处于10⁻⁵ ~10⁻⁶Ω⋅m量级，与不锈钢及部分合金电阻率相当。

500℃时薄膜电阻率最高，主要因该温度未达到Ti₂AlC MAX 相成相条件，薄膜以TiC 等杂质相为主，导电性能较差；

随着温度升高至550℃，电阻率显著下降，随后在550-750℃范围内保持小幅下降趋势。

这一变化与XRD 表征结果一致，温度升高促进Ti₂AlC MAX 相成相，提升薄膜导电性，但高温下Al 元素蒸发导致少量杂质相残留，使得电阻率未持续大幅降低。

 

石英片基底的Ti-Al-C薄膜电阻率

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石英片基底不同温度下薄膜的电阻率

石英片为绝缘基底，可完全排除基底对电流的分流作用，测量结果更能反映薄膜本身导电特性：

石英片上薄膜电阻率整体高于不锈钢基底，但仍呈类似变化趋势。

700℃时电阻率最低（5.7×10⁻⁶ Ω·m），与不锈钢基底结果一致，验证了温度对薄膜本征导电性的影响。

550℃薄膜电阻率最高（1.2×10⁻⁵ Ω·m），进一步证实低温下MAX相形成不充分。

 

温度对电阻率的影响机制

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温度通过影响薄膜相组成调控电阻率：低温（≤600℃）下，Ti₂AlC MAX 相难以成相，薄膜以高电阻率的 TiC 杂质相为主，导致整体电阻率较高；中高温（650-700 ℃）时，温度提供足够能量促进MAX 相成相，薄膜中导电优良的 MAX 相占比提升，电阻率显著下降；750℃时，高温导致Al 元素蒸发，Ti:Al 比例偏离成相最佳值，杂质相略有增加，电阻率小幅回升。

综上，四探针法可准确测量Ti-Al-C 薄膜的电阻率，且通过选用绝缘基底（如石英片）能有效排除基底导电性干扰，获得薄膜真实导电特性。实验结果表明，制备温度对Ti-Al-C 薄膜电阻率影响显著，700℃时薄膜电阻率最低，导电性能最优，符合燃料电池双极板表面改性的导电要求。

 

Xfilm埃利四探针方阻仪

/Xfilm

 

 

Xfilm埃利四探针方阻仪用于测量薄层电阻（方阻）或电阻率，可以对最大230mm 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。

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• 高精密测量，动态重复性可达0.2%
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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，可助力评估电阻，推动多领域的材料检测技术升级。