BI--TE基薄膜的微結(jié)構(gòu)控制生長與熱電性能研究.pdf

1、近年來，隨著能源危機(jī)的加劇以及人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，人類社會的發(fā)展急切需要加快新能源技術(shù)的開發(fā)。熱電材料具有直接實現(xiàn)熱能、電能相互轉(zhuǎn)化的特性，可以廣泛應(yīng)用于溫差發(fā)電、熱電制冷和余熱回收，且該類材料具有壽命長、體積小、成本低、無污染等特點(diǎn)，對深化節(jié)能減排有著重要的意義。
　　熱電優(yōu)值是評價熱電性能的關(guān)鍵指標(biāo)，其性能高低決定于熱電材料的電導(dǎo)率、Seebeck系數(shù)、熱導(dǎo)率以及絕對溫度。目前，Bi2Te3是室溫下熱電性能最好的材料之一。本文

2、旨在通過調(diào)節(jié)磁控濺射制備Bi-Te基薄膜的工藝參數(shù)，從而獲得界面平整、結(jié)構(gòu)致密的原材料薄膜，進(jìn)而采用快速退火處理，得到性能良好、可用于熱電器件制作的Bi-Te基熱電薄膜。
　　首先，采用中心組合設(shè)計法對磁控濺射的濺射功率、襯底溫度、氬氣流量等工藝參數(shù)安排出一系列實驗方案，并通過制得實驗樣品的性能測試，獲得了對應(yīng)實驗條件下的單層Bi膜、單層Te膜的濺射速率、表面粗糙度和電導(dǎo)率等性能參數(shù)，進(jìn)而根據(jù)中心組合設(shè)計法中的方差分析結(jié)果，擬合出

3、各性能參數(shù)與濺射工藝條件之間的關(guān)系計算式。隨后，該擬合公式經(jīng)過SAS軟件的進(jìn)一步驗證，確定了擬合方法和結(jié)果的真實有效性。
　　將上述獲得的擬合公式作為非劣分類遺傳算法(NSGA-Ⅱ)的適應(yīng)度函數(shù)，可快速求解出一定約束范圍內(nèi)的Pareto最優(yōu)解，即最優(yōu)的單層膜濺射工藝條件范圍。隨后，在優(yōu)化后的工藝條件范圍內(nèi)，實施了單因素變化實驗，得到了不同工藝條件下的微觀結(jié)構(gòu)特征和熱電性能參數(shù)。通過對微觀結(jié)構(gòu)的控制生長及其對熱電性能的影響因素與趨勢

4、分析，進(jìn)一步確定出相對較優(yōu)的單層膜濺射條件:對單質(zhì)Bi靶實施射頻濺射獲得單層Bi膜，其中濺射功率30W，襯底溫度125℃，氬氣流量3.3sccm(工作壓強(qiáng)0.4Pa);對單質(zhì)Te靶和單質(zhì)Bi靶按比例共濺射獲得單層Te膜，其中Te、Bi靶的濺射功率分別為23W、15W，襯底溫度125℃，氬氣流量5sccm(工作壓強(qiáng)0.5Pa)。
　　針對在較優(yōu)條件下交替濺射沉積得到的Bi-Te多層薄膜材料，進(jìn)行退火處理來改善樣品的微觀結(jié)構(gòu)和物相組成

5、，實現(xiàn)對其熱電性能的調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)退火溫度(300℃、350℃、400℃)和退火時間(2min～23min，時間間隔為3min)，在400℃退火溫度下，出現(xiàn)了較大的缺陷;在350℃退火溫度下Seebeck系數(shù)最高，達(dá)到272μV·K-1;在300℃退火溫度下，內(nèi)部形成的層狀晶粒之間形成了周期性的量子阱結(jié)構(gòu)，因此載流子濃度、Seebeck系數(shù)變化趨勢出現(xiàn)了振蕩現(xiàn)象，同時得到較高功率因數(shù)，最高可達(dá)28μW·K-2·cm-1。
　　結(jié)果