[发明专利]量子阱超晶格厚膜热电材料及其生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及热电材料技术领域的一种量子阱超晶格共膜覆形生长的工程，尤其涉及量子阱超晶格厚膜热电材料及其生产方法。

背景技术

热电材料是利用固体内载流子和声子的传输及相互作用来实现热能和电能相互转换的半导体功能材料，具有无噪、轻便、绿色等优点，在温差发电和制冷领域具有重要的应用价值和前景。自从能源危机之后，发达国家都在寻求高效、无污染的能量转换方式，以达到合理有效利用余热、废热、地热、太阳能以及海洋温差等能量的目的。

Bi2Te3是目前热电行业已经商业化的主要热电材料，广泛应用于新器件、新能源等高新绿色环保产业。Bi2Te3半导体材料是以铋、碲等为原料，按一定的化学组成和掺杂工艺制备得到。温差发电是塞贝克效应在发电技术方面的应用, 而赛贝克系数或材料的ZT值决定了热电器件的发电效率。商业化的Bi2Te3的ZT值仅能达到有0.70左右，相应的器件热电转换效率极低，严重限制了其应用。

传统的定向凝固法早期用于生产Bi2Te3晶棒材料，通过调控材料生长的冷却速率等来制备高质量的Bi2Te3单晶材料，但这种方法能耗大，而且机械性能较差，不利于之后进一步的生产加工，在器件制造过程中造成浪费且影响整体器件的工作寿命，导致较高的废品率。还有一种传统方法是粉末冶金法，主要用于制备多晶粉体材料，利用传统的球磨和熔炼工艺最终得到想要的热电材料。尽管冶金法合成的材料的机械性能由于多晶结构，而有所增强，也有效避免了区熔材料易解离的缺点，但在关键的热电性能上由于低致密度材料结构并不理想，尤其热电优值（ZT）更低。

用于制备高质量热电超晶格薄膜的技术主要有分子束外延法(MBE)、电化学原子层外延法（EC-ALE）和金属有机化合物气相沉积(MOCVD)。首选方法是分子束外延(MBE)，众所周知，这种方法存在设备复杂，价格昂贵和工艺过程复杂等缺陷，这种慢速而又昂贵的技术仅在制造的量子阱超晶格厚度在100纳米量级时或产品用于高精尖国防工业时才具备可行性。

EC-ALE法虽然简单，设备成本低廉，但存在着影响因素复杂，比如沉积电势，电极，衬底材料特性，溶液温度，电解质浓度等交互影响，从而导致薄膜可能出现质量较差，成分偏离化学计量比及形貌不一致等缺陷。因此用EC-ALE方法制备成分复杂或高性能的超晶格热电薄膜材料较为困难。

MOCVD方法与MBE方法类似，存在着工艺设备复杂，生产成本昂贵和工艺过程复杂等缺陷，其最大的限制还在于原材料，其原材料为金属有机化合物，合成困难，成本高且大都有毒、易爆、易燃，在薄膜的制备过程中会释放有毒气体如 (H2Te、H2Se) ，造成环境污染。

利用氧化铝(AAO)纳米孔模板，结合电化学沉积方法是非常有效的一维纳米材料合成方法，发明人曾利用氧化铝(AAO)纳米孔模板成功地合成碳纳米管和钴纳米线阵列[1，2]。Manin等利用该方法获得Bi2Te3纳米线阵列，加州大学伯克利分校的A.Stacy成功的获得了沿<110>方向取向生长的具有单晶特性的Bi2Te3纳米线阵列[3-5]。这些纳米线热电材料的性能虽有改善，但合成的材料质量仍不令人满意，纳米线的结晶度不高，更不具有量子阱或原子层界面结构。

1. Hongguo Zhang et al, J. of The Electrochemical Society, 2007, 154(2): H124-H126

2. Hongguo Zhang et al, Electrochem. Solid-State Lett. 2008 11:K57-K60

3. S．Sapp，C．Martin，Advanced Materials, 1999，JJ，402．

4. A．Priet，A．Stacy，J. of American Chemical Society, 2001，123，7160．

5. M．Sander，A．Stacy，Advanced Materials, 2002，14, 665。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种生产具有厚膜超晶格量子阱结构的热电材料的方法，本发明能够生产微米级厚度的厚膜热电超晶格材料，而且生产工艺成本低、效率高、设备相对简单，所生产的热电材料性能好、转换效率高。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

量子阱厚膜超晶格热电材料的生产方法，其特征在于包括以下步骤：