摻雜碲化鉍熱電薄膜的電化學制備和性能.pdf

1、碲化鉍(Bi2Te3)基化合物是當前室溫下性能最好的商用熱電材料,對Bi2Te3基熱電材料進行納米低維化和摻雜改性可以進一步提高其熱電性能。電化學沉積技術是目前研究較多的熱電材料薄膜制備方法之一,具有工藝簡單、成本低、易于控制材料的化學成分、結(jié)晶組織和晶粒大小等優(yōu)點。本論文的主要目標是采用電化學方法,通過元素摻雜來制備結(jié)構(gòu)致密、不易開裂,且具有一定熱電性能的摻雜Bi2Te3熱電薄膜。通過選擇摻雜Bi2Te3基熱電材料作為研究對象,采用循

2、環(huán)伏安技術對Bi-Te-P三元體系,Bi-Te-P-Ni和Bi-Te-P-Co四元體系在不銹鋼基片上的電化學行為進行了系統(tǒng)的研究。利用恒電位的電化學沉積方式,在不銹鋼基底上制備出不同元素摻雜的Bi2Te3基薄膜材料,并研究薄膜組織結(jié)構(gòu)的變化以及薄膜結(jié)構(gòu)成分對材料熱電性能的影響。
　　 研究表明,室溫下沉積電位為-200 mV時得到的近化學計量比的單相磷(P)摻雜Bi2Te3薄膜為n型半導體,P原子進入了Bi2Te3晶體中以范德華

3、力相結(jié)合的Te(1)-Te(1)原子層間,形成P原子夾層,薄膜霍爾系數(shù)為-1.76×10-2 m3/C,熱導率為0.47 W/(m·K),僅是塊體材料的三分之一。沉積電位為-230 mV時,P摻雜Bi2Te3薄膜的最大電導率為345 S/cm,P原子的摻雜量為0.9％;而同樣沉積電位下得到的P-Ni共摻雜的Bi2Te3薄膜,其最大電導率高達1450 S/cm,P和Ni原子的共摻雜量達到4.01％;沉積電位為-70 mV時,P-Co共摻雜

4、的Bi2Te3薄膜的最大電導率達757 S/cm,P和Ni原子共摻雜量為3.34％。因此,在室溫范圍內(nèi),多元摻雜能夠提高材料的電導率,是改善材料溫差電性能的有效方法。
　　 電沉積得到的P摻雜和P-Ni共摻雜的Bi2Te3薄膜,都具有單相Bi2Te3菱方結(jié)構(gòu),且通過改變沉積電位,可以實現(xiàn)P摻雜的Bi2Te3薄膜結(jié)晶取向的改變,但沉積電位對P-Ni共摻雜的Bi2Te3薄膜的結(jié)晶取向影響不大;而P-Co共摻雜的Bi2Te3薄膜雖然也