碲化鉍基熱電薄膜制備與性能分析及其器件設計.pdf

1、早在1823年熱電效應就被人們所發(fā)現(xiàn)，該效應是熱能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換，其產(chǎn)生的原因是熱電材料所具有的獨特屬性所致。隨著社會發(fā)展，人們對環(huán)境友好、能源利用率高的制冷設備的需求更加迫切，因此具有無污染、體積小的基于熱電材料微加工制成的高效制冷器受到了人們的關注。相對于其它熱電材料，碲化鉍(Bi2Te3)具有較高的熱電轉(zhuǎn)換效率，并且隨著納米技術(shù)及納米材料的長足發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)薄膜形式的二維熱電材料相對于塊體材料有著更高的熱電優(yōu)值，二維材料可增

2、加熱聲子的散射，從而降低熱導率，提高Seebeck系數(shù)。因此，本文通過設計Bi/Te基多層薄膜輔以快速退火(RTP)來對Bi/Te基二維熱電材料的性能進行研究。
　　為了提高Bi/Te基熱電薄膜的熱電優(yōu)值，本文首先從熱電優(yōu)值(ZT)的物理方程出發(fā)，通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)來控制熱電薄膜的微結(jié)構(gòu)，進而在微結(jié)構(gòu)調(diào)整上實現(xiàn)熱導率λ減小的同時，使功率因數(shù)PF（PF=S2σ，用于表征Seebeck系數(shù)和電導率的綜合效果）增加。其工藝上的實施方法是在

3、微結(jié)構(gòu)中通過磁控濺射的方式在基片上交替生長單質(zhì)Bi和單質(zhì)Te，輔以RTP快速退火來使Bi和Te發(fā)生反應生成Bi2Te3化合物，并通過退火來減小Bi2Te3中的缺陷從而提高Seebeck系數(shù)。在反應生成Bi2Te3材料的同時，Bi和Te單質(zhì)層中間會形成晶界，從而提高了聲子散射，降低了熱導率λ。
　　其次，為了進一步提升熱電材料的熱電優(yōu)值和降低薄膜的缺陷，對多層二維結(jié)構(gòu)薄膜的樣品材料進行快速退火處理，在熱處理的過程中，發(fā)現(xiàn)隨著退火時間

4、的延長，薄膜的熱電參數(shù)均出現(xiàn)了明顯的振蕩現(xiàn)象，這些振蕩現(xiàn)象使得在退火的某些時刻其Seebeck系數(shù)和功率因數(shù)遠遠高于塊體材料。并且發(fā)現(xiàn)退火溫度越高，各個熱電參數(shù)（包括Seebeck系數(shù)，載流子濃度，電導率，功率因數(shù)，遷移率等）的振幅也隨之升高。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象為二維薄膜材料所特有的量子尺寸效應，通過量子尺寸效應理論，來控制快速退火的溫度（室溫～400℃）和退火時間(0min～26min)，并對各個熱電參數(shù)的振蕩關系進一步研究，發(fā)現(xiàn)載流子

5、濃度與Seebeck系數(shù)成反比關系，載流子濃度與電導率成正比關系。并且在該實驗中獲得的Seebeck系最大可達到190.41μV·K-1，功率因數(shù)達到30.96μW·K-2·m-1，這些參數(shù)都遠高于塊體材料，可制備性能更加優(yōu)良的熱電器件。最后為了確定退火后生成物對熱電材料性能的影響，對不同溫度退火下的樣品進行XRD元素測量，分析退火后的元素產(chǎn)物構(gòu)成及形成原因。
　　最終，為了將研究中所獲得的優(yōu)良特性材料制作成熱電器件。本文使用AN

6、SYS Mechanical APDL17.0軟件進行熱電器件的結(jié)構(gòu)建模，并設計成橫向和縱向結(jié)構(gòu)，然后分析兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。隨后將實驗中所得到的最優(yōu)熱電參數(shù)導入到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)模型當中，分別改變通過熱電偶的電流，以及改變熱電偶的尺寸參數(shù)來找出器件中熱電轉(zhuǎn)換效率最優(yōu)的參數(shù)設置，并且研究了通過熱電偶的電流，以及器件高度與熱電轉(zhuǎn)換效率之間的關系。隨后，基于建模后的熱電器件尺寸模型，進行了濕法刻蝕的制作工藝流程探索，分析了工藝流程中各個工藝步驟的注意