VAPE法制备BiTe系纳米热电薄膜的研究

摘要

Bi2Te3系热电材料是一类能够在室温条件下实现电能和热能之间直接转换的功能材料。由于其具有使用寿命长、稳定性好、环境友好等优点，以及在微电子、光电子等高技术等领域有着巨大的应用前景，从而吸引了人们的广泛关注。但是其热电优值尚不够高，限制了它的应用。如何提高Bi2Te3系热电材料的热电性能成为研究的热点。随着热电相关理论以及纳米技术的不断发展，人们发现Bi2Te3系热电材料的低维化所带来特殊的量子限制效应，使其热电性能比块体材料高得多。本文在分析 Bi2Te3系热电材料的国内外研究现状、发展趋势的基础上，开展了真空电弧等离子体蒸发法（Vaccum Arc Plassma Evaporation）制备Bi2Te3系热电薄膜的研究工作。
　　 本文阐述了材料的几种热电效应，综述了Bi2Te3系热电材料研究的进展。介绍了真空电弧等离子体产生原理，并对VAPE系统进行技术改进，使之适合于沉积纳米薄膜。在此基础之上，采用真空电弧等离子体法制备了Bi0.4Sb1.6Te3纳米薄膜，探讨了工艺参数如电弧电流、腔内氩气的压强、基片温度和距离等参数对实验的影响。采用XRD、FE-SEM和EDAX等分析测试手段研究了薄膜的微观结构及化学组成。研究了薄膜热电性能与薄膜膜厚的关系：随着薄膜厚的增加，其电阻率减小；电阻率与薄膜厚度的倒数呈近似的直线关系；考察了薄膜的Seebeck系数与膜厚的关系，随着膜厚度的增加，Seebeck系数增加。在373K到573K的温度范围内研究了退火温度对薄膜的电阻率和Seebeck系数的影响。最后对全文实验进行了总结，对真空电弧等离子体蒸发法的应用前景进行了展望，并对进一步的研究工作提出了建议。