YbAl3薄膜热电材料的制备与表征

摘要

YbAl3因其良好的热电性能而受到研究者广泛关注，但目前的研究大多集中在YbAl3块体材料掺杂和填充优化热电性能方面，尚无关于YbAl3薄膜材料的制备工艺和热电性能方面的研究报道。本文发展了双靶共溅射制备YbAl3薄膜材料的磁控溅射方法，系统研究了YbAl3靶材烧结工艺、YbAl3薄膜磁控溅射工艺和后续热处理条件对YbAl3薄膜的化学组成、显微结构和热电性能的影响规律。取得的主要结论如下： （1）采用熔融-淬火-退火传统方法制备YbAl3粉末，并与Al粉末混合后采用等离子体活化烧结形成YbAl3靶材。保温温度对YbAl3靶材显微结构的影响研究表明，773 K时，靶材内部结构较致密，无明显孔洞，靶材中心到边缘位置组分分布较均匀。300 K时，YbAl3靶的电导率、Seebeck系数的绝对值和功率因子均最大，分别为2.30×106 S m-1、82.9?V K-1和15.9 mW m-1 K-2；热导率最小，仅为17.0 W m-1 K-1，ZT值最大值为0.28。 （2）建立了双靶共溅射制备YbAl3薄膜材料的磁控溅射控制方法，并采用该方法在不同基板温度和不同Al靶电压条件下制备了一系列YbAl3薄膜材料。结果表明，随着基板温度升高，样品中Al/Yb原子百分比、颗粒尺寸和电导率值均逐渐增大，Seebeck系数的绝对值和功率因子在基板温度为673 K时均达到最大值；随着Al靶电压由250 V升高至450 V，样品的物相组成由单相YbAl2转变为单相YbAl3，Al/Yb原子百分比、晶粒尺寸、电导率、Seebeck系数的绝对值和功率因子均逐渐增大。在基板温度为673 K和Al靶材电压为450 V条件下制备的YbAl3薄膜材料具有最优电输运性能，300 K时最大电导率为1.06×106 S m-1、最大Seebeck系数的绝对值为30.8μV K-1、最大功率因子为0.94 mW m-1 K-2。 （3）以最优磁控溅射条件下制得的YbAl3薄膜材料为研究对象，重点研究了退火温度和退火时间对YbAl3薄膜的物相组成、显微结构和电输运性能的影响规律。结果表明：在退火时间为4 h、退火温度为723?823 K条件下，薄膜由主晶相YbAl3和少量Al构成，薄膜内部包含大量直径约30 nm的纳米粒子，薄膜表面出现沉积的Al颗粒且随着退火温度升高逐渐长大，样品结晶度、电导率、Seebeck系数的绝对值和ZT值均随退火温度升高先增大后降低，由此确定最佳退火温度为773K；在最佳退火温度下、退火0~2 h时薄膜为单相YbAl3，超过2 h后出现少量Al第二相，8 h时颗粒异常长大，样品结晶度、电导率、Seebeck系数的绝对值和ZT值均随退火时间延长先增大后降低，由此确定最佳退火时间为4 h；在最佳退火条件下（773 K和4 h）获得的YbAl3薄膜300 K时最大功率因子和ZT值分别达到7.4 mW m-1 K-2和0.14。

目录

声明

第1章 前 言

1.1 研究背景和意义

1.2 热电效应和原理

1.3 热电材料的电热输运性能

1.4 薄膜热电材料的研究现状

1.5 YbAl3的研究现状及问题

1.6 选题目的、研究方案和主要内容

第2 章 YbAl3靶材的制备与热电性能

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第 3 章 YbAl3薄膜溅射工艺探索

3.1 引 言

3.2 实验部分

3.3基板温度对YbAl3薄膜显微结构和热电性能的影响

3.4 Al靶输出电压对YbAl3薄膜显微结构和热电性能的影响

3.5 本章小结

第4章 退火处理对YbAl3薄膜的影响

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 退火温度对YbAl3薄膜显微结构和热电性能的影响

4.4 退火时间对YbAl3薄膜显微结构和热电性能的影响

4.5 本章小结

第 5章 结 论

参考文献

致谢

硕士期间发表论文