[发明专利]一种晶界调控n型碲化铋薄膜性能的方法

说明书

一种晶界调控n型碲化铋薄膜性能的方法，涉及一种热电材料调控方法，属于新能源材料领域，本发明方法解决现有技术中晶界结构和化学性质随着温度、压力和化学势等热力学参数的变化产生不连续地变化等问题。该方法包括以下过程：第一步以商用Bi₂Te₃靶和Te靶为靶材，采用磁控溅射技术在加热基底上制备n型Bi₂Te₃薄膜。第二步以商用Sn为原料，采用蒸发技术，在n型Bi₂Te₃薄膜的表面镀上Sn。第三步采用保护气退火炉对镀Sn后的n型Bi₂Te₃在高温下退火后，随炉冷却，以获得高性能的n型Bi₂Te₃薄膜。本发明方法为低温发电微型器件的性能优化提供高性能、低成本、设备简单、工艺简单、操作易控、性能均匀、稳定的优化工艺方案。

技术领域

本发明涉及一种热电材料调控方法，特别是涉及一种晶界调控n型碲化铋薄膜性能的方法。

背景技术

热电材料在热电制冷和热电发电领域具有独特的优势，并且作为一种环境友好型的新型能源材料，成为未来能源行业的发展方向之一。但目前热电材料的性能还有待提高，其废热回收的转换效率较低，需要在技术理论和实验数据上提高能源的利用效率。热电器件的转换效率由热电材料的热电优值ZT（一种无量纲值）决定，ZT值是由电导率（σ）、Seebeck系数（α）和热导率（κ）这几个参数共同决定的，而这几个参数之间的耦合作用却阻碍着性能的提高。常规掺杂方法通过掺杂含量调控最佳载流子浓度，寻求最大功率因子（α²σ），这种方法并未有效地降低电导率和Seebeck系数之间的耦合作用。

晶界工程是一种可以全面提升热电材料性能的方法。例如，小角度或高度相干的晶界可以抑制载体上的散射，却有效地散射声子传输，使提高电导率的同时限制热导率，嵌入晶界的密集位错阵列显著降低热导率，从而大大提高热电材料的性能。具有适当能量势垒的晶界可以过滤低能量载流子横越，明显增强塞贝克系数，而不会明显影响电导率。然而，传统的方法伴随着晶粒内特性的改变，包括复杂的冶金工艺，以一步一步对晶粒间和晶粒内特性的精心设计，使热电性能最大化。晶界在这个过程中也会展示出相态行为变化，其结构和化学性质随着温度、压力和化学势等热力学参数的变化产生不连续地变化。退火是改善微结构和电传输行为的另一个关键过程，这是消除多余晶体缺陷所必需的过程，特别是对于改善纳米结构的晶界弛豫现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种晶界调控n型碲化铋薄膜性能的方法，本发明方法为一种工艺简单易控、性能均匀的n型碲化铋（Bi₂Te₃）薄膜性能优化调控方法，解决晶界结构和化学性质随着温度、压力和化学势等热力学参数的变化产生不连续地变化问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种晶界调控n型碲化铋薄膜性能的方法，所述方法包括以下过程：

第一步以商用Bi2Te3靶和Te靶为靶材，采用磁控溅射技术在加热基底上制备n型Bi2Te3薄膜；

第二步以商用Sn为原料，采用蒸发技术，在n型Bi2Te3的表面镀上Sn薄膜；

第三步采用保护气退火炉对镀Sn薄膜后的n型Bi2Te3薄膜在高温下退火后，随炉冷却；

上述第一步薄膜制备过程中：加热基底的温度为573K~623 K；商用Bi2Te3靶和Te靶的纯度均为99.99wt%；Bi2Te3靶和Te靶为圆型靶或矩形靶；Bi2Te3靶和Te靶分别使用独立的溅射电源，Bi2Te3靶采用直流或射频电源，Te靶采用射频或直流电源，Bi2Te3靶和Te靶以共溅射形式同时工作；加热基底为玻璃片或硅片；n型Bi2Te3薄膜厚度为760nm；