多孔硅的制备与热电性能研究

摘要

Si基材料作为一种新型热电材料的研究近些年来备受研究者们的广泛关注。能成功制备出具有高热电转换效率的Si基热电材料，对于解决能源紧缺问题，以及开发出高性能绿色环保材料具有重大意义，而且具有广阔的应用前景。具有高孔隙率、有序性高的纳米孔尺寸的多孔硅热电性能较好，而且如果多孔硅的孔径尺寸在电子平均自由程和声子平均自由程之间，会发生强烈的声子散射，携带走大量的热，使其晶格热导率降低，同时又不影响载流子的输运性质，从而使总热导率降低，热电性能提高。基于此，我们利用沉积单层有序SiO2微球模板法来制备孔均匀且有序性、孔隙率高的多孔硅，从而有效降低热导率。同时，我们还采用了模板法双槽电化学腐蚀方法来制备孔深度较深的多孔硅，以尽量减小体硅对其热电性能的影响，而且通过金属Nb的注入，使其热导率进一步降低，同时电阻率也有所下降，更有益于ZT值的提高。
　　本实验的具体研究内容和结果主要有以下几部分:
　　(1)首先利用了改进的Stober方法制备出了单分散SiO2微球，目的是通过利用垂直沉积自组装的方法得到有序的单层SiO2微球模板，将其覆盖在硅片的表面并退火，进而腐蚀制备出孔隙率高、有序性较高以及腐蚀深度较深的纳米孔尺寸的多孔硅来尽量降低其热导率。而且还通过对比实验找出了制备的最适合条件，从而得到了大范围内有序的单层SiO2微球模板。
　　(2)将覆有有序的单层SiO2微球模板的硅片进行无电极化学腐蚀，得到了孔较均匀的多孔硅，而且腐蚀速率、孔隙率都要高于直接腐蚀的多孔硅，并对制备出的样品进行了热导率测试与分析。
　　(3)为了增加腐蚀深度，避免体硅对其性能的影响，采用了双槽电化学腐蚀的方法进行研究，发现在很短的时间内就可得到较深的多孔硅层。还利用了SiO2微球模板法进行腐蚀，发现不仅进一步提高了腐蚀速率，而且还使孔洞更加均匀，孔隙率、有序性有所提高。
　　(4)对制备出的多孔硅进行性能测试，与未腐蚀的体硅相比，其热导率都明显降低，SiO2微球模板法电化学腐蚀90min的多孔硅，孔深度大约224μm，300K时热导率降低至29W/K·m，而且通过Nb的注入使其进一步降低至15 W/K·m，都远远比未腐蚀硅片的低。由于样品表面粗糙度较大、孔隙率高，且具有纳米孔尺寸结构，发生强的热声子散射，从而热导率降低，而这对材料的电导率影响很小，而且样品注入Nb后还使电阻率有所减小，这样有益于ZT值的增大，提高材料的热电性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 Si基热电材料

1．1．1 热电材料

1．1．2 Si作为热电材料的研究

1．1．3 多孔硅作为热电材料的研究

1．2 多孔硅的制备方法

1．2．1 无电极化学腐蚀法

1．2．2 贵金属辅助腐蚀法

1．2．3 电化学腐蚀法

1．3 选题依据以及研究内容

1．4 本章小结

2 样品的制备与表征技术

2．1 实验设备技术

2．2 样品表征技术

2．2．1 结构和成分表征技术

2．2．2 形貌表征技术

2．2．3 热电性能表征技术

2．2．4 磁性表征技术

2．3 样品的制备流程

2．4 实验样品原料及试剂

2．5 样品的制备技术

2．6 本章小结

3 单层有序模板的制备与研究

3．1 有序模板的制备

3．1．1 SiO2微球的制备

3．1．2 单层SiO2微球模板的制备

3．2 本章小结

4 无电极化学腐蚀制备多孔硅与性能研究

4．1 多孔硅的制备

4．1．1 硅片的清洗

4．1．2 以SiO2微球为模板制备多孔硅

4．2 多孔硅的热电性能研究

4．3 本章小结

5 电化学腐蚀制备多孔硅与性能研究

5．1 多孔硅的制备与研究

5．1．1 直接电化学腐蚀样品的制备

5．1．2 直接电化学腐蚀多孔硅的性能研究

5．2 以SiO2微球为模板多孔硅的制备与研究

5．2．1 以SiO2微球为模板样品的制备

5．2．2 以SiO2微球为模板多孔硅的性能研究

5．3 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的科研成果清单