采用物理气相沉积法制备碲化铋纳米线阵列的方法

摘要

本发明公开了一种采用物理气相沉积法制备碲化铋纳米线阵列的方法，通过调节交流电源输出电流的大小、以及玻璃基板与钨舟的距离，在真空室内，热蒸发碲化铋原料，直接在玻璃基板上沉积出具有碲化铋纳米线阵列结构的薄膜。整个沉积工艺过程简单，成本低廉，易于规模化生产，所得到的碲化铋纳米线阵列结构均一，有效的保证了纳米相的均匀分布。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备碲化铋(Bi₂Te₃)纳米线阵列的方法，更特别地说，是指一种采用物理气相沉积法在玻璃基板上制备出碲化铋纳米线阵列的方法。

背景技术

Rowe在其编著的《CRC Handbook of Thermoelectrics》(由CRC Press 1995年出版)一书中对热电材料进行了详细的介绍。在目前所有热电材料中，Bi₂Te₃系半导体材料分别是目前公认最好的室温、中温区热电材料，它们已是当前商用热电器件的工业标准。目前世界的最高水平是R.Venkatasubramanian等报道的Bi₂Te₃/Sb₂Te₃超晶格结构(ZT＝2.4)，但是要使热电材料能够达到传统致冷(压缩机)系统的制冷效率，ZT值至少要达到3以上。Hicks等的理论计算证明，由于量子线可比量子阱进一步提高态密度，纳米线可能比超晶格有更好的热电性能。虽然利用气相冷凝，电化学，高压注入等技术可以得到一定的热电材料的纳米线结构，但是纳米线材料要得到应用，就必须制备出线密度高达5×10¹⁰/cm²的且结构均一纳米线阵列。

目前国际上报导的成功制备出碲化铋纳米线阵列结构的只有M.Stacy等利用氧化铝模板法合成的最小粒径40nm左右的碲化铋纳米线阵列，受其模板孔填充完全性的影响，其线密度并不能完全达到应用到微制冷器件的密度要求(5×10¹⁰/cm²)，而且所用的模板的质量要求非常高，现有的商业化生产的氧化铝模板不能满足其生产标准。

发明内容

为了解决碲化铋(Bi₂Te₃)纳米线阵列热电材料在合成方面存在的诸多问题，本发明采用物理气相沉积法，通过调节交流电源输出电流的大小、以及玻璃基板与钨舟的距离，在真空室内，热蒸发碲化铋(Bi₂Te₃)原料，直接在玻璃基板上沉积出具有碲化铋纳米线阵列结构的薄膜。整个沉积工艺过程简单，成本低廉，易于规模化生产，所得到的碲化铋纳米线阵列结构均一，有效的保证了纳米相的均匀分布。

本发明应用物理气相沉积法制备碲化铋纳米线阵列的技术方案为：将粒径5～20μm的碲化铋粉末放入真空镀膜机的真空室1的钨舟2中，把玻璃基板3放置于样品台4上，调节玻璃基板3与钨舟2的距离d＝6～10cm；

密封真空室1，向真空室1内充入2～5min氮气后停止，随后对真空室1抽真空，使真空室1内真空度达到2.0×10^-3Pa～5.0×10^-5Pa；

在真空镀膜机上设定沉积速率0.5～10nm/min，沉积时间5～12h；

开启交流电源，调节输出电流165A～175A；开始在玻璃基板3上沉积制备碲化铋纳米线阵列薄膜。

制得的碲化铋纳米线阵列薄膜中的碲化铋纳米线直径为18～100nm。

附图说明

图1是本发明真空镀膜装置的简示图。

图2是采用本发明方法制得的四个实施例产物—碲化铋纳米线阵列的XRD图。

图3是实施例1的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明应用物理气相沉积法制备碲化铋纳米线阵列的技术方案为：将粒径5～20μm的碲化铋粉末放入真空镀膜机的真空室1的钨舟2中，把玻璃基板3放置于样品台4上，调节玻璃基板3与钨舟2的距离d＝6～10cm；

密封真空室1，向真空室1内充入2～5min氮气后停止，随后对真空室1抽真空，使真空室1内真空度达到2.0×10^-3Pa～5.0×10^-5Pa；

在真空镀膜机上设定沉积速率0.5～10nm/min，沉积时间5～12h；

开启交流电源，调节输出电流165A～175A；开始在玻璃基板3上沉积制备碲化铋纳米线阵列薄膜。

制备完毕，关闭交流电源，自然冷却至室温(22～28℃)后，取出制有碲化铋纳米线阵列薄膜的玻璃基板3。

在本发明的制备方法中，先要调节交流电源输出电流的大小、玻璃基板3与钨舟2的距离d，然后调节真空室内热蒸发源(碲化铋原料)的沉积速率，才能够控制沉积在玻璃基板3上的碲化铋纳米线阵列的线密度，使得物理气相沉积制得的碲化铋纳米线阵列结构均一，有效的保证了纳米相的均匀分布。

实施例1：

将粒径5～10μm的碲化铋单质粉末放入真空镀膜机的真空室1的钨舟2中，把玻璃基板3放置于样品台4上，调节玻璃基板3与钨舟2的距离d＝10cm；

密封真空室1，向真空室1内充入3min氮气后停止(充氮气可以反复充2次)，随后对真空室1抽真空，使真空室1内真空度达到2.0×10^-4Pa；

在真空镀膜机上设定沉积速率0.7nm/min，沉积时间8h；

开启交流电源，调节输出电流165A；开始在玻璃基板3上物理气相沉积出碲化铋纳米线阵列薄膜。

制备完毕，关闭交流电源，自然冷却至室温后，取出制有碲化铋纳米线阵列薄膜的玻璃基板3。

采用X射线衍射仪对实施例1制得的碲化铋纳米线阵列薄膜进行物相分析，如图2所示中的“a”，说明制得的碲化铋纳米线阵列薄膜为碲化铋单质。

将上述物理气相沉积制得的碲化铋纳米线阵列薄膜在扫描电子显微镜下观察，碲化铋纳米线阵列薄膜中的纳米线直径为18nm，扫描电镜照片如图3所示。

实施例2：

将粒径5～20μm的碲化铋粉末放入真空镀膜机的真空室1的钨舟2中，把玻璃基板3放置于样品台4上，调节玻璃基板3与钨舟2的距离d＝6cm；

密封真空室1，向真空室1内充入5min氮气后停止，随后对真空室1抽真空，使真空室1内真空度达到3.0×10^-4Pa；

在真空镀膜机上设定沉积速率1.8nm/min，沉积时间5h；

开启交流电源，调节输出电流175A；开始在玻璃基板3上沉积制备碲化铋纳米线阵列薄膜。

制备完毕，关闭交流电源，自然冷却至28℃后，取出制有碲化铋纳米线阵列薄膜的玻璃基板3。

采用X射线衍射仪对实施例2制得的碲化铋纳米线阵列薄膜进行物相分析，如图2所示中的“b”，说明制得的碲化铋纳米线阵列薄膜为碲化铋单质。

对实施例2制得的碲化铋纳米线阵列薄膜在扫描电子显微镜下观察，碲化铋纳米线阵列薄膜中的纳米线直径为30nm。

实施例3：

将粒径10～20μm的碲化铋粉末放入真空镀膜机的真空室1的钨舟2中，把玻璃基板3放置于样品台4上，调节玻璃基板3与钨舟2的距离d＝9cm；

密封真空室1，向真空室1内充入3min氮气后停止，随后对真空室1抽真空，使真空室1内真空度达到5.0×10^-5Pa；

在真空镀膜机上设定沉积速率4nm/min，沉积时间6h；

开启交流电源，调节输出电流170A；开始在玻璃基板3上沉积制备碲化铋纳米线阵列薄膜。

制备完毕，关闭交流电源，自然冷却至22℃后，取出制有碲化铋纳米线阵列薄膜的玻璃基板3。

采用X射线衍射仪对实施例3制得的碲化铋纳米线阵列薄膜进行物相分析，如图2所示中的“c”，说明制得的碲化铋纳米线阵列薄膜为碲化铋单质。

对实施例3制得的碲化铋纳米线阵列薄膜在扫描电子显微镜下观察，碲化铋纳米线阵列薄膜中的纳米线直径为50nm。

实施例4：

将粒径5～20μm的碲化铋粉末放入真空镀膜机的真空室1的钨舟2中，把玻璃基板3放置于样品台4上，调节玻璃基板3与钨舟2的距离d＝10cm；

密封真空室1，向真空室1内充入2min氮气后停止，随后对真空室1抽真空，使真空室1内真空度达到4.0×10^-4Pa；

在真空镀膜机上设定沉积速率10nm/min，沉积时间12h；

开启交流电源，调节输出电流165A；开始在玻璃基板3上沉积制备碲化铋纳米线阵列薄膜。

制备完毕，关闭交流电源，自然冷却至25℃后，取出制有碲化铋纳米线阵列薄膜的玻璃基板3。

采用X射线衍射仪对实施例4制得的碲化铋纳米线阵列薄膜进行物相分析，如图2所示中的“d”，说明制得的碲化铋纳米线阵列薄膜为碲化铋单质。

对实施例4制得的碲化铋纳米线阵列薄膜在扫描电子显微镜下观察，碲化铋纳米线阵列薄膜中的纳米线直径为100nm。