Si基熱電薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于熱電功能材料領(lǐng)域，具體涉及一種Sb摻雜Mg2Si基熱電薄膜及其制備 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 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；溫差 電器件可實(shí)現(xiàn)熱能與電能間的相互轉(zhuǎn)換，是適用范圍很廣的綠色環(huán)保型能源器件。以半導(dǎo) 體溫差發(fā)電模塊制造的半導(dǎo)體發(fā)電機(jī)和制冷器，只要有溫差存在即能發(fā)電，供電時(shí)可進(jìn)行 制冷，其工作時(shí)無噪音、無污染，使用壽命超過十年，可廣泛的應(yīng)用到廢熱發(fā)電、冰箱制冷等 重要的基礎(chǔ)應(yīng)用中。因而是一種應(yīng)用廣泛的綠色能源器件。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，這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(guó)際材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)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：ΖΤ=Τσα2/κ;其中τ為絕對(duì)溫度，σ為材料的電導(dǎo) 率，α為Seebeck系數(shù)，κ為熱導(dǎo)率。
[0003] 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(jí)時(shí)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(shì)。因此對(duì)于Mg2Si基熱電薄膜的研究具有重要的意義。
[0004] Mg2Si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(guó)際熱電材料科學(xué)的前沿課題。目前對(duì)于Mg2Si熱電薄膜的制備研 究只有少量的報(bào)道，效果也不甚理想；主要是目前簡(jiǎn)單的制備技術(shù)并不能制備出多摻雜、高 性能的Mg2Si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Mg2Si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Mg2Si需要相關(guān)材料的摻雜，才 能夠?qū)崿F(xiàn)熱電性能較大的提高；目前最常用的摻雜方式是先將所需要摻雜的材料與Mg2Si 混合制備成同一靶材，再鍍制成薄膜，這種方式成本高、工序繁瑣、時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)靶材與膜的 化學(xué)成分并不相符、可控性差。因此如何簡(jiǎn)化摻雜型Mg2Si基熱電薄膜的合成制備工藝，實(shí) 現(xiàn)Mg2Si基熱電薄膜的最優(yōu)摻雜，獲取結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能優(yōu)越的Mg2Si基熱電薄膜的關(guān)鍵技術(shù)， 是目前的研究重點(diǎn)。
[0005] 理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明Sb是重要的η型摻雜元素，Sb元素和Si電負(fù)性相同， 離子半徑相近，容易取代Si位，作為施主摻雜，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。目前，Sb摻雜 Mg2Si基熱電薄膜仍未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種Sb摻雜Mg2Si基熱電薄膜及其制備方法，旨 在解決現(xiàn)有的Sb摻雜Mg2Si基熱電薄膜制備方法工藝繁瑣、效率低、可控性差的問題，具有 工藝簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、原材料利用率高等優(yōu)勢(shì)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)摻雜可控，還能有效優(yōu)化薄膜 結(jié)構(gòu)和提高薄膜的熱電性能。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下： 一種Sb摻雜Mg2Si基熱電薄膜的制備方法，采用磁控濺射沉積法進(jìn)行雙靶循環(huán)濺射， 其中，一靶位放Mg2Si靶，電源選用射頻電源；另一靶位放Sb靶，電源選用直流電源；對(duì)絕緣 襯底進(jìn)行有機(jī)溶劑超聲波清洗；本底真空度優(yōu)于6. 5X10 4Pa，工作氣體為高純Ar氣，工作 氣壓為0. 1~5. 0Pa;先在襯底上鍍一層Mg2Si，接著鍍一層Sb，再鍍一層Mg2Si;如此往復(fù) 多次，制得具有疊層結(jié)構(gòu)的薄膜，最后采用真空退火獲得Sb摻雜Mg2Si基熱電薄膜。
[0008] 采用雙靶循環(huán)濺射的方法將Sb元素分多次濺射到Mg2Si薄膜層中實(shí)現(xiàn)摻雜，循環(huán) 周期為1~24次，Sb和Mg2Si的濺射時(shí)間比為1:4~1:60,總濺射時(shí)間和為0.5~1.5h。
[0009]Mg2Si靶射頻濺射功率為40~200W，Sb靶直流濺射功率為20~150W。
[0010] 在濺射完成后，關(guān)閉濺射源，在本底真空度優(yōu)于5. 0X10 4Pa的真空室中通入高純 Ar氣，關(guān)小抽氣閥門，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 火獲得Sb摻雜Mg2Si基熱電薄膜。
[0011] 退火溫度為100~500°C，退火時(shí)間為0· 5 h~5 h。
[0012] 所述的有機(jī)溶劑依次為丙酮、酒精，超聲波清洗時(shí)間為10~30min。
[0013] 所述的絕緣襯底為絕緣玻璃、單晶Si、石英、A1203中的一種。
[0014] 本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于： 本發(fā)明利用Sb摻雜獲得p型Mg2Si基材料并通過薄膜低維化進(jìn)一步提高其熱電性能； 采用濺射沉積技術(shù)制備Sb摻雜Mg2Si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)地控制濺射功率、濺射時(shí)間比等參數(shù)來調(diào)整Sb 的摻雜量，采用熱處理來改善摻雜Sb元素的均勻性，簡(jiǎn)化了制備工藝，降低了成本，可滿足 大規(guī)模生產(chǎn)需要。Sb摻雜Mg2Si基薄膜的熱電性能優(yōu)于現(xiàn)有的Mg2Si材料，其機(jī)理是Sb元 素和Si電負(fù)性相同，離子半徑相近，容易取代Si位，作為施主摻雜，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。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明所述的Sb摻雜Mg2Si基熱電薄膜的沉積層示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 本發(fā)明提供一種Sb摻雜Mg2Si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，以下對(duì)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(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0017] 本發(fā)明所提供的一種Sb摻雜Mg2Si基熱電薄膜的制備方法，其包括步驟：采用磁 控濺射沉積法進(jìn)行雙靶循環(huán)濺射，其中，一靶位放Mg2Si靶，電源選用射頻電源；另一靶位放 Sb單質(zhì)靶，電源選用直流電源。先在襯底上鍍一層Mg2Si，接著鍍一層薄的Sb層，再鍍一層 Mg2Si;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Sb摻雜 Mg2Si基熱電薄膜。Sb摻雜Mg2Si基熱電薄膜沉積層示意圖如圖1所示。
[0018] 下面通過若干實(shí)施例來說明本發(fā)明的Sb摻雜Mg2Si基熱電薄膜的制備方法。
[0019] 實(shí)施例1: 采用磁控濺射沉積法進(jìn)行雙靶循環(huán)濺射，其中，一靶位放Mg2Si靶，電源選用射頻電源； 另一靶位放Sb單質(zhì)靶，電源選用直流電源。先在襯底上鍍一層Mg2Si，接著鍍一層薄的Sb 層，再鍍一層Mg2Si;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Sb摻雜Mg