電化學(xué)原子層外延制備納米薄膜熱電材料的研究.pdf

1、熱電材料能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能之間的直接轉(zhuǎn)換，是一種十分理想的電源和制冷器材料。傳統(tǒng)熱電材料存在主要問(wèn)題是：材料的熱電優(yōu)值(ZT)小，熱電轉(zhuǎn)換效率低；制備工藝和目前微電子制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)不相適應(yīng)，阻礙了其在“微觀”制冷領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。納米薄膜熱電材料的ZT值較傳統(tǒng)塊體熱電材料有了大幅度的提高，具有優(yōu)越的熱電性能。同時(shí)，其加工工藝可與微電子加工工藝完全兼容，便于集成一體化，具有廣闊的應(yīng)用前景。 電化學(xué)原子層外延(Electroche

2、mistry Atomic Layer Epitaxy, ECALE)兼具電化學(xué)和原子層外延的優(yōu)點(diǎn)，利用表面限制生長(zhǎng)技術(shù)-----欠電位沉積(Underpotential Deposition, UPD)，交替電化學(xué)沉積不同元素的原子層以形成化合物，該方法在室溫下進(jìn)行，克服了分子束外延（MBE）、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）等熱方法的諸多問(wèn)題，在薄膜材料及超晶格的制備方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。 本論文討論了利用ECALE法制備

3、Sb2Te3納米熱電薄膜的研究過(guò)程。 論文第一部分介紹了熱電材料的研究現(xiàn)狀，并簡(jiǎn)單介紹了幾種新型熱電材料及其熱電傳輸機(jī)理，然后對(duì)比目前常用的幾種薄膜制備方法詳細(xì)論述了ECALE法的基本原理、特點(diǎn)及影響因素，最后對(duì)本研究所使用的電化學(xué)自動(dòng)沉積及測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。 論文第二部分討論了Te、Sb在Pt電極上的電化學(xué)特性及ECALE制備Sb2Te3薄膜的過(guò)程。使用自動(dòng)沉積系統(tǒng)交替電化學(xué)沉積Te 、Sb原子層400個(gè)循環(huán)獲得沉積

4、物，采用XRD, FESEM、FTIR等分析測(cè)試手段對(duì)沉積薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌、禁帶寬等進(jìn)行了表征。XRD結(jié)果表明沉積物是Sb2Te3化合物；FESEM測(cè)試結(jié)果表明Sb2Te3薄膜由平均粒徑約20nm的顆粒組成，薄膜均勻、致密，膜厚約190nm；薄膜依據(jù)襯底的晶格結(jié)構(gòu)外延生長(zhǎng)，以襯底顆粒的邊界為邊界形成與襯底類似的表面形貌；在襯底和沉積薄膜之間存在厚約19nm的過(guò)渡層。FTIR結(jié)果表明，生成Sb2Te3納米薄膜的能隙寬為0.42eV，發(fā)生了

5、明顯的藍(lán)移，這是由于沉積物的納米晶結(jié)構(gòu)的影響。 論文第三部分討論了在Au電極上ECALE法制備Sb2Te3薄膜的過(guò)程。Sb在Au電極上的電化學(xué)特性研究結(jié)果表明，在pH0.5的體系中，Sb的塊體沉積過(guò)程具有很強(qiáng)的可逆性。當(dāng)選擇塊體沉積峰起始電位-0.2V交替沉積Te、Sb 400個(gè)循環(huán)時(shí)， XRD測(cè)試結(jié)果表明，沉積物是Sb2Te3和塊體Te的混合物，對(duì)其進(jìn)行退火處理后發(fā)現(xiàn)其XRD特征峰明顯增大，表明退火前的沉積物結(jié)晶不好。通過(guò)調(diào)節(jié)