[發(fā)明專利]一種納米尺度多孔硒/碲化物薄膜材料及其制備方法

有效

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• 申請日: 2017-11-28
• 公開（公告）號: CN109837514B
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發(fā)明（設計）人: 邰凱平;喬吉祥;趙洋;靳群;康斯清;姜辛
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/58;C23C14/06
• 代理公司: 沈陽優(yōu)普達知識產(chǎn)權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發(fā)明涉及功能薄膜材料領域，具體為一種納米尺度多孔硒(Se)/碲(Te)化物薄膜材料及其制備方法，該多孔薄膜材料作為微型熱電能源器件、微型傳感器等方面的應用。該多孔薄膜材料為均勻沉積在金屬、半導體或絕緣體光滑基底表面上的硒/碲化物薄膜層，薄膜中含有高密度均勻分布的納米尺度孔隙，納米孔隙呈現(xiàn)為規(guī)則的幾何多面體結構；孔隙表面為亞納米級粗糙度，且孔隙與薄膜基體間存在晶體學取向關系。利用Se/Te元素低熔點、易擴散和聚集長大的特性，合成納米尺度多孔結構。在薄膜面外方向，Te(Se)元素含量呈過飽和連續(xù)遞增分布，通過退火處理方式成功制備納米孔隙含量和大小分布連續(xù)可調控的Bi₂Te₃(Sb₂Se₃)薄膜。

技術領域

本發(fā)明涉及功能薄膜材料領域，具體為一種納米尺度多孔硒(Se)/碲(Te)化物薄膜材料及其制備方法，該多孔薄膜材料可作為微型熱電能源器件、微型傳感器等方面的應用。

背景技術

硒(Se)/碲(Te)化物薄膜材料在日益蓬勃發(fā)展的功能材料與器件中扮演著重要的角色。其已被廣泛應用于半導體領域，如：太陽能電池、熱電換能和制冷、微電子等行業(yè)，其中熱電技術領域是其主要應用方向之一。熱電材料是一種能夠在沒有其他特定外力或器件的協(xié)助下，能使“熱”與“電”兩種不同形態(tài)的能量相互轉換的功能性半導體材料，可充分利用日常生產(chǎn)和生活中的廢熱發(fā)電，或是進行微區(qū)高熱通量制冷，是當前我國資源高效利用、余熱余能回收、微系統(tǒng)熱量管理等科技專項中的重要研究內容，但其較低的轉換效率是相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展的突出技術瓶頸。

熱電材料性能與其自身熱導率成反比，提高熱電性能的主要策略之一為降低材料熱導率。對于塊體熱電材料，可利用多種方式在材料中引入不同尺度散射機制來降低熱導率。然而，薄膜熱電材料中調控熱導率的方式非常有限，如調制晶粒大小和第二相析出物來增強聲子散射。因此，急需發(fā)展新的制備方法來解決這一棘手問題。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種納米尺度多孔硒(Se)/碲(Te)化物薄膜材料及其制備方法，通過物理氣相法沉積硒(Se)/碲(Te)元素梯度分布的硒(Se)/碲(Te)化物薄膜。即在薄膜面外方向，硒(Se)/碲(Te)元素含量呈現(xiàn)過飽和連續(xù)遞增分布，再通過惰性還原氣氛中長時間退火處理，合成一種納米尺度多孔薄膜材料，并對其微觀形貌進行表征、導熱、導電和熱電勢性能進行測試，為進一步制備相關領域的微型器件做好材料準備。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：

一種納米尺度多孔硒/碲化物薄膜材料，該多孔薄膜材料為均勻沉積在金屬、半導體或絕緣體光滑基底表面上的硒/碲化物薄膜層，薄膜中含有高密度均勻分布的納米尺度孔隙，納米孔隙呈現(xiàn)為規(guī)則的幾何多面體結構；孔隙表面為亞納米級粗糙度，且孔隙與薄膜基體間存在晶體學取向關系。

所述的納米尺度多孔硒/碲化物薄膜材料，硒/碲化物薄膜層為Bi₂Te₃、Sb₂Se₃、PbSe、SnSe、Bi₂Se₃、Cu₂Se或Ag₂Te。

所述的納米尺度多孔硒/碲化物薄膜材料，該納米尺度多孔薄膜材料中的孔隙分布在薄膜晶界以及三晶界交匯處，孔隙多面體的一組平行面與基體薄膜晶粒的一低指數(shù)晶面平行。

所述的納米尺度多孔硒/碲化物薄膜材料，該納米尺度多孔薄膜材料中的孔隙尺寸大小連續(xù)分布在1～100nm之間，呈類高斯分布特征，且平均孔徑大小可調控；由薄膜退火前后硒/碲成分的變化估算得到，薄膜的孔隙率為1％～10％。

所述的納米尺度多孔硒/碲化物薄膜材料，納米尺度多孔薄膜材料經(jīng)過退火處理后，由于薄膜中過飽和硒/碲的析出和多孔結構的產(chǎn)生，薄膜材料的電導率相比退火前降低10％～20％，熱電系數(shù)則升高50％～70％。