VA—VIA族化合物半導(dǎo)體納米熱電薄膜的電化學(xué)原子層外延生長.pdf

1、納米薄膜熱電材料在集成電路、微電子、光電子技術(shù)領(lǐng)域和生物芯片、醫(yī)療器材及國防軍工領(lǐng)域都有非常誘人的應(yīng)用前景。然而當(dāng)前其主要制備方法分別存在原材料成本高、高溫生長、工藝復(fù)雜、環(huán)境污染等一系列問題。本文采用電化學(xué)沉積與原子層外延相結(jié)合形成一種低成本、過程易控、室溫沉積、環(huán)境負(fù)荷小的新方法－電化學(xué)原子層外延法（ElectrochemicalAtomicLayerEpitaxy;以下簡稱ECALE），首次成功外延生長出了Bi2Te3、Sb2Te

2、3納米薄膜熱電材料。通過電化學(xué)分析、X射線衍射分析(XRD)、能量彌散X衍射分光計(jì)(EDX)、掃描電子顯微分析(SEM/FESEM)、電子探針顯微分析(EPMA)、光電子能譜分析(XPS)、紅外光譜分析(FTIR)等多種分析測(cè)試手段，研究優(yōu)化了納米薄膜熱電材料的沉積工藝，探討了納米薄膜熱電材料的沉積生長熱力學(xué)規(guī)律等基礎(chǔ)科學(xué)問題。首次采用ECALE法制備Bi2Te3、Sb2Te3VA-VIA族化合物納米薄膜熱電材料，是一項(xiàng)非常有意義的創(chuàng)新

3、性探索，對(duì)發(fā)展薄膜熱電材料及其器件的新型制備方法，進(jìn)一步提高其熱電性能，拓寬其應(yīng)用范圍都有重要的學(xué)術(shù)研究價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。 本文第一部分首先介紹了熱電效應(yīng)及其應(yīng)用、材料的熱電效率及提高材料熱電效率的途徑，并對(duì)熱電材料的研究進(jìn)展、納米薄膜熱電材料制備方法，以及電化學(xué)原子層外延的特點(diǎn)及欠電勢(shì)沉積的基本原理作了詳細(xì)的綜述，在此基礎(chǔ)上指出了本文的研究目的和意義。詳細(xì)介紹了我們自行設(shè)計(jì)、研制的ECALE納米薄膜自動(dòng)沉積系統(tǒng)。并對(duì)關(guān)鍵

4、部件如溶液自動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、薄層電化學(xué)池系統(tǒng)、電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。 第二部分采用循環(huán)伏安法、陽極動(dòng)電位掃描和庫侖計(jì)量法等多種電化學(xué)分析手段對(duì)VA族元素Bi、Sb，和VIA族元素Te分別在鉑、冷軋銀、多晶金襯底上以及VA、VIA族元素相互在各自表面上的欠電位沉積特性進(jìn)行了分析，確定了Bi2Te3、Sb2Te3在不同襯底上ECALE生長的最佳工藝參數(shù)。詳細(xì)研究了Bi2Te3、Sb2Te3薄膜在不同襯底上的ECALE生長

5、過程及熱力學(xué)規(guī)律。分析了沉積薄膜的形貌和組織結(jié)構(gòu)。同時(shí)對(duì)電化學(xué)原子層外延沉積熱力學(xué)進(jìn)行了初步的理論探討。確定了Bi2Te3薄膜在鉑襯底上ECALE生長的有效手段，首次將碲的氧化欠電勢(shì)沉積與鉍的還原欠電勢(shì)沉積相結(jié)合成功制備出了Bi2Te3薄膜。分析了最初30層電位調(diào)節(jié)斜率對(duì)碲化鉍薄膜ECALE生長的影響，確立了最佳電位調(diào)節(jié)步長值。在對(duì)Bi－Te系熱力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，確定了既能防止銀襯底表面氧化，又能溶解碲和鉍的最佳pH值范圍。首次發(fā)現(xiàn)在銀

6、襯底表面預(yù)先沉積少量的鉍能有效地防止銀的氧化，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)銀氧化物的出現(xiàn)能抑止鉍的沉積。詳細(xì)研究了裸露襯底上和覆蓋了一種元素的襯底上的循環(huán)伏安曲線差異，闡述了鉍和碲在冷壓銀襯底上欠電勢(shì)沉積的熱力學(xué)規(guī)律。采用循環(huán)伏安法分析了碲元素和鉍元素在金襯底上的電化學(xué)特性。在對(duì)脫出功差值研究的基礎(chǔ)上，首次發(fā)現(xiàn)鉍覆蓋的金襯底在Te溶液中循環(huán)伏安曲線上處于0.23V的欠電位峰對(duì)應(yīng)的是碲在金襯底上的欠電位峰，而處于0~-0.3V的欠電勢(shì)峰則符合碲原子和吸附的

7、鉍原子之間的交互作用，是Te在吸附Bi原子表面的欠電位峰。使用陽極剝落電流的積分法拉第電荷，確定了鉍、碲在相互之上的最佳欠電勢(shì)范圍，優(yōu)化了在多晶金襯底上沉積Bi2Te3的ECALE工藝，F(xiàn)E－SEM研究證實(shí)沉積物遵循外延生長模式。研究了Sb2Te3納米薄膜在鉑襯底上的ECALE生長過程。首次發(fā)現(xiàn)在襯底和生長的半導(dǎo)體之間存在一個(gè)接觸界面層。建立了達(dá)到穩(wěn)態(tài)沉積條件的電位調(diào)節(jié)工藝。采用FTIR研究了Sb2Te3化合物納米薄膜的紅外吸收特性并確