[發明專利]一種高致密晶粒鉍銻熱電薄膜及其制備方法

在審

• 申請號: 202011332324.7
• 申請日: 2020-11-24
• 公開（公告）號: CN112575303A
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 鄧元;魏鋒;趙未昀
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學杭州創新研究院
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/02;C23C14/18;C23C14/58
• 代理公司: 北京細軟智谷知識產權代理有限責任公司 11471
• 代理人: 劉靜培

本發明涉及一種具有高致密晶粒的Bi_1?xSb_x熱電薄膜材料及其制備方法，先對襯底進行射頻等離子體清洗，再對清洗后的襯底進行升溫，之后在一定的Ar氣壓力下對高純度的Bi靶和Sb靶進行共濺并沉積到升溫后的襯底上，待沉積完后對薄膜進行高真空原位退火，最終制得Bi_1?xSb_x薄膜，Sb的含量范圍為0.035x0.1，厚度為300?600nm，具有高的致密性和高的遷移率，室溫下熱電性能測量表明，塞貝克系數在?80μV/K以上，電阻率在6μΩm以下，功率因子在15μW/(cmK²)以上，從而本發明所述Bi_1?xSb_x熱電薄膜具有優良的熱電性能，可應用于300K及以下的高密度微納熱電制冷器件。

技術領域

本發明屬于薄膜熱電器件技術領域，具體涉及一種具有高致密晶粒的Bi_1-xSb_x熱電薄膜材料及其制備方法。

背景技術

熱電材料是直接將熱能轉化為電能的材料，由其制成的熱電器件具有體積小、無機械噪聲、零排放及可靠性高等優點，在溫差發電和全固態制冷方面有著廣泛的應用。熱電材料的熱電轉化效率由無量綱的熱電優值ZT來衡量，ZT＝S²σT/κ，其中S為塞貝克系數，σ為電導率，T為材料工作的絕對溫度，κ為熱導率。S²σ被定義為材料的功率因子。一般地，高性能的熱電材料需要有高塞貝克系數、高電導率及低熱導率，而這三個物理量的大小均與溫度有關，所以熱電材料又根據使用溫區分為低溫區材料(T300K)、近室溫區材料(300KT500K)、中溫區材料(500KT800K)和高溫區材料(T800K)。在低溫區熱電材料體系中，Bi_1-xSb_x合金因其高塞貝克系數、高遷移率和低熱導率而吸引了廣泛的研究興趣。隨著Sb含量變化，Bi_1-xSb_x合金會表現出從半金屬到半導體再到半金屬的轉變，由于半金屬比半導體有更低的塞貝克系數，所以對其熱電性能的研究會在偏向于半導體區域的成分，即5％x22％。

在銻化鉍(Bi_1-xSb_x)合金的合成上，對于塊體，據報道采用Bi與Sb混料熔煉和快淬來合成其多晶，用改進的布里奇曼法來制備其單晶；對于薄膜，據報道采用真空閃蒸法、熱蒸鍍、分子束外延和磁控濺射法等來生長。現有的磁控濺射法制得的Bi_1-xSb_x薄膜材料，一般采用室溫沉積和原外管式爐退火風扇冷卻法制備出(00l)取向的Bi_0.8Sb_0.2薄膜。受制于原外管式爐可能帶來的薄膜氧化，其厚度也只有100nm。同時，Bi_1-xSb_x薄膜在沉積過程易造成其表面形成團簇、致密性差，導致其遷移率低和電阻率高，薄膜熱電性能差。此外，作為熱電功能薄膜，其熱電性能與晶粒取向也至關重要。本發明中，使用磁控濺射技術并通過原位退火的方式沉積出一系列(0l5)取向的Bi_1-xSb_x(0.035x0.1)薄膜且膜厚介于300nm到600nm之間。制備的薄膜表面晶粒致密，具有高的載流子遷移率和低的電阻率，表現出優異的熱電性能。

發明內容

為了解決現有技術存在的上述問題，本發明提供了一種具有高致密晶粒的Bi_1-xSb_x熱電薄膜及其制備方法。本發明所述Bi_1-xSb_x熱電薄膜，具有高的致密性和高的遷移率，室溫下(300K)的熱電性能測量表明，其塞貝克系數在-80μV/K以上，電阻率在6μΩm以下，功率因子在15μW/(cmK²)以上，從而本發明所述Bi_1-xSb_x熱電薄膜具有優良的熱電性能，可應用于300K及以下的高密度微納熱電制冷器件。本發明所述制備方法具有便捷、高效性的特點。

本發明所采用的技術方案為：