Si基熱電薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及熱電功能材料領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種Al滲雜MgzSi基熱電薄膜及其制備 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著能源危機(jī)的日益嚴(yán)峻，迫切需要積極推進(jìn)和提倡使用潔凈的可再生能源，特 別是重視可再生能源新技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化投資相結(jié)合，W降低可再生能源的利用成本。熱 電材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的綠色環(huán)保型功能材料；W熱電材料制作 的溫差電器件具有尺寸小、質(zhì)量輕、無任何機(jī)械轉(zhuǎn)動部分、工作無噪聲、使用壽命長、不存在 污染環(huán)境問題等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于溫差發(fā)電器、熱電制冷器W及傳感器等領(lǐng)域。因此制備 高性能的熱電材料，不但符合綠色環(huán)保和低碳經(jīng)濟(jì)的要求，同時具有重要的科學(xué)意義和廣 泛的應(yīng)用前景。
[0003]當(dāng)前，由于受熱電材料性能的限制，熱電器件的應(yīng)用還遠(yuǎn)沒有達(dá)到取代機(jī)械制冷 機(jī)的地步，運(yùn)已成為熱電器件大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸，因此高性能熱電材料是當(dāng)前國際材料研 究領(lǐng)域的熱點課題之一。熱電材料的性能主要由無量綱品質(zhì)因子ZT值表征：ZT=T〇a， 其中T為絕對溫度，O為材料的電導(dǎo)率，a為Seebeck系數(shù)，K為熱導(dǎo)率。
[0004] MgzSi熱電材料是一種應(yīng)用于中溫區(qū)的具有應(yīng)用前景的熱電材料之一，其熱電性 能的優(yōu)化與提高是目前國際熱電材料科學(xué)的前沿課題。近年來研究發(fā)現(xiàn)熱電材料薄膜化有 利于提高熱電材料的熱電特性，主要原因在于：一、可通過維數(shù)的降低，形成界面散射效應(yīng) 從而降低材料的熱導(dǎo)率，增大材料的熱電優(yōu)值，當(dāng)薄膜厚度在納米量級時還能產(chǎn)生量子禁 閉效應(yīng)提高材料的功率因子。二、薄膜化可提高其響應(yīng)速度、能量密度和小型靜態(tài)局域化的 能力。除此之外，薄膜化的熱電材料在轉(zhuǎn)化效率方面和成本方面，都有很大的優(yōu)勢。因此對 于MgzSi基熱電薄膜的研究具有重要的意義。
[0005]目前對于MgzSi熱電薄膜的制備研究只有少量的報道，效果也不甚理想；主要是目 前簡單的制備技術(shù)并不能制備出多滲雜、高性能的MgzSi基熱電薄膜材料。復(fù)雜的工藝雖 然能夠制備出優(yōu)值較高的MgzSi基熱電薄膜，但其制備成本高、工藝復(fù)雜都無法滿足其產(chǎn)業(yè) 化的需求。而MgzSi需要相關(guān)材料的滲雜，才能夠?qū)崿F(xiàn)熱電性能較大的提高；目前最常用的 滲雜方式是先將所需要滲雜的材料與MgzSi混合制備成同一祀材，再鍛制成薄膜，運(yùn)種方式 成本高、工序繁瑣、時間長，同時祀材與膜的化學(xué)成分并不相符、可控性差。因此如何簡化滲 雜型MgzSi基熱電薄膜的合成制備工藝，實現(xiàn)MgzSi基熱電薄膜的最優(yōu)滲雜，獲取結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、 性能優(yōu)越的MgzSi基熱電薄膜的關(guān)鍵技術(shù)，是目前的研究重點。
[0006]理論計算和實驗結(jié)果均表明Al是重要的n型滲雜元素，其中You等人的研究結(jié)果 表明加旨251:41。.。2熱電材料在8231(下獲得最大熱電優(yōu)值7片0.47。另外，41元素在地殼中 的含量僅次于0和Si,居第=位，是地殼中含量最豐富的金屬元素，具有價格低廉的優(yōu)勢。 目前，Al滲雜MgzSi基熱電薄膜仍未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種Al滲雜MgzSi基熱電薄膜及其制備方法，旨 在解決現(xiàn)有的Al滲雜MgzSi基熱電薄膜的制備方法工藝繁瑣、效率低、可控性差的問題；而 本發(fā)明可精準(zhǔn)地控制瓣射功率、瓣射時間比等參數(shù)來調(diào)整Al的滲雜量，簡化了制備工藝， 降低了成本，可滿足大規(guī)模生產(chǎn)需要。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下： 一種Al滲雜MgzSi基熱電薄膜的制備方法，在本底真空度為6. 5X10 4~1.OX10 5Pa,工作氣體為高純Ar氣，Ar氣流量10~50seem,工作氣壓為0. 1~5. 0化的條件下， 采用磁控瓣射沉積法在絕緣襯底上進(jìn)行雙祀循環(huán)瓣射，一祀位放MgzSi祀，電源選用射頻電 源；另一祀位放Al單質(zhì)祀，電源選用直流電源；先鍛MgzSi層，接著鍛Al層，再鍛MgzSi層， W此為一周期；按此周期循環(huán)多次，從而得到具有疊層結(jié)構(gòu)的薄膜，最后采用真空退火獲得 Al滲雜MgzSi基熱電薄膜。
[0009] 循環(huán)周期為1~24次，Al和MgzSi的瓣射時間比為1:4~1:60,總瓣射時間和為 0? 5~L5ho
[0010] Mg^Si靴的射頻戮射功率為40~200W，Al單質(zhì)靴的直流戮射功率為20~150Wd
[0011] 在瓣射完成后，關(guān)閉瓣射源，在本底真空度低于5.OXlO4化的真空室中通入高純 Ar氣，關(guān)小抽氣閥口，使Ar氣的氣氛維持在1~50Pa;在試樣不出爐的情況下進(jìn)行真空退 火制得Al滲雜MgzSi基熱電薄膜。
[0012] 所述退火溫度為100~500°C，退火時間為0. 5h~5h。
[0013] 所述的絕緣襯底使用前依次采用丙酬、酒精進(jìn)行超聲波清洗，超聲波清洗時間分 別為10~30min。
[0014] 所述的絕緣襯底為絕緣玻璃、單晶Si、石英、AI2O3中的一種。
[0015] Al滲雜MgzSi基薄膜的熱電性能優(yōu)于現(xiàn)有的MgzSi材料，其機(jī)理是Al元素具有和 堿±金屬類似的性質(zhì)，當(dāng)Al元素加入后，容易取代Mg位，作為施主滲雜，提供導(dǎo)電電子作為 載流子，從而提高材料的電導(dǎo)率與熱電性能；另外，薄膜低維化的量子效應(yīng)進(jìn)一步提升其熱 電性能。
[0016] 本發(fā)明的顯著優(yōu)點在于： 本發(fā)明通過Al滲雜及薄膜低維化提高M(jìn)gzSi基材料的熱電性能；采用雙祀循環(huán)瓣射沉 積方法制備Al滲雜MgzSi基熱電薄膜，可控性強(qiáng)、薄膜具有良好的附著性和重復(fù)性，可滿足 大規(guī)模生產(chǎn)需要，并且可精準(zhǔn)的控制瓣射功率、瓣射時間比等參數(shù)來調(diào)整Al的滲雜量，簡 化了制備工藝，降低了成本，可滿足大規(guī)模生產(chǎn)需要。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明所述的Al滲雜MgzSi基熱電薄膜的沉積層示意圖； 圖2為本發(fā)明實施例2所提供的Al滲雜量為1. 56%的MgzSi基熱電薄膜的邸S圖譜。
【具體實施方式】
[0018] 本發(fā)明提供一種Al滲雜MgzSi基熱電薄膜的制備方法，為使本發(fā)明的目的、技術(shù) 方案及效果更加清楚、明確，W下對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體 實施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0019] 本發(fā)明所提供的一種Al滲雜MgzSi基熱電薄膜的制備方法，其包括步驟：采用磁 控瓣射沉積法進(jìn)行雙祀循環(huán)瓣射，其中，一祀位放MgzSi祀，電源選用射頻電源；另一祀位放 Al單質(zhì)祀，電源選用直流電源；先在襯底上鍛一層MgzSi,接著鍛一層薄的Al層，再鍛一層 MgzSi;如此往復(fù)多次，從而制備得到具有疊層結(jié)構(gòu)的薄膜，最后采用真空退火獲得Al滲雜 MgzSi基熱電薄膜。Al滲雜MgzSi基熱電薄膜沉積層示意圖如圖1所示。
[0020] 下面通過若干實施例來說明本發(fā)明的Al滲雜MgzSi基熱電薄膜的制備方法。
[00川 實施例1 一種Al滲雜MgzSi基熱電薄膜的制備方法，具