Bi2Te3系納米熱電材料的制備及性能研究.pdf

1、Bi2Te3系熱電材料由于其在微電子、光電子等高技術(shù)領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景,從而吸引了人們的廣泛關(guān)注。低維Bi2Te3系材料由于具有特殊的量子限制效應(yīng),已成為提高熱電性能的有效途徑。近年來,研究者非常重視Bi2Te3系熱電薄膜的制備及性能研究,并做了許多相關(guān)的研究工作。本文通過對Bi2Te3系熱電材料的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢進(jìn)行分析,提出了本文的研究目的、意義及研究內(nèi)容,研制了一套真空電弧等離子體制備納米粉末和瞬間蒸發(fā)法沉積薄膜材料的復(fù)

2、合裝置。
　　以單質(zhì)Bi、Te和Sb粉末為原材料,采用真空電弧等離子體法分別合成了Bi2Te3, Sb2Te3和(BixSb1-x)2Te3納米粉末。通過XRD、 TEM、EDAX等分析檢測手段對粉末材料的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成進(jìn)行了分析。研究了不同原子比對合成Bi2Te3系納米粉末的影響,考察了電弧電流和氬氣壓力對制備Bi2Te3系納米粉末的晶粒尺寸和產(chǎn)率的影響,隨著電弧電流或氬氣氣壓的增加,粉末的晶粒尺寸和產(chǎn)率都逐漸增大,但產(chǎn)率的

3、增加并不明顯。
　　采用真空熔煉及瞬間蒸發(fā)法制備了P型Bi0.5Sb1.5Te3和N型Bi2Te2.85Se0.15薄膜,用XRD、FE-SEM和EDAX分析了薄膜的微觀結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成。研究了薄膜的電阻率與膜厚和溫度的關(guān)系,隨著膜厚和溫度的增加,電阻率減小;電阻率與薄膜厚度的倒數(shù)、溫度都呈近似的直線關(guān)系;考察了薄膜的Seebeck系數(shù)與膜厚的關(guān)系,隨著薄膜厚度的增加,Seebeck系數(shù)增加;在373K到573K的溫度范圍內(nèi)研究了退

4、火溫度對厚度為800nm的 P型 Bi0.5Sb1.5Te3和 N型 Bi2Te2.85Se0.15薄膜的電阻率和Seebeck系數(shù)的影響,退火溫度從373K增加到473K,薄膜的電阻率和Seebeck系數(shù)也隨之增加;當(dāng)退火溫度為473K時(shí),P型Bi0.5Sb1.5Te3薄膜的熱電功率因子值最大,其值為13μW/cmK2,N型Bi2Te2.85Se0.15薄膜的熱電功率因子最大值為14.2μW/cmK2。
　　通過機(jī)械合金化及瞬間

5、蒸發(fā)法制備了N型Bi2(Te0.95Se0.05)3薄膜,研究了薄膜厚度與電阻率、Seebeck系數(shù)和電輸運(yùn)性能的關(guān)系。在373-573K的溫度范圍內(nèi)考察了退火工藝對厚度為800nm的N型Bi2(Te0.95Se0.05)3薄膜的熱電功率因子的影響,當(dāng)退火溫度為473K時(shí),薄膜熱電功率因子的最大值為12μW/cmK2。研究了機(jī)械合金化及瞬間蒸發(fā)法制備Ag摻雜Bi2(Te0.95Se0.05)3和Sn摻雜(Bi1-xSnx)2(Te0.9

6、5Se0.05)3薄膜,研究了摻雜濃度對 Seebeck系數(shù)和電阻率的影響。Ag摻雜濃度為0.2wt％時(shí),薄膜的熱電功率因子的最大值為16.1μW/cmK2;Sn的摻雜濃度為0.003時(shí), Seebeck系數(shù)和電阻率的值最大,其值分別為-196μV/K和3.0mΩcm,薄膜的熱電功率因子最大值12.8μW/cmK2。
　　采用瞬間蒸發(fā)法在加熱到453K的玻璃基片上沉積了厚度在40-160nm范圍的多晶Bi薄膜,通過XRD和FE-S