一种锑化钴基热电薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种锑化钴基热电薄膜及其制备方法，其中，制备方法包括步骤：将锑化钴靶作为溅射靶材，并将需掺杂的材料单独制成掺杂靶材；将溅射靶材和掺杂靶材固定于多工位溅射系统的转靶架上待溅射；采用溅射沉积方法在绝缘衬底上镀制锑化钴薄膜层，同时在溅射过程中，将掺杂的材料分多次溅射到锑化钴薄膜层从而制备得到具有叠层结构的薄膜，最后采用原位热处理获得锑化钴基热电薄膜。本发明专利技术的方法可控性强，有利于薄膜结构的生成，薄膜具有良好的附着性和重复性，可满足大规模生产需要，并且可精准的控制溅射功率、时间等参数以及掺杂材料的掺杂量，采用多叠层的方式，便于多种元素同时进行掺杂，也减少了制备多掺杂元素靶材的繁琐工艺。

【技术实现步骤摘要】
一种锑化钴基热电薄膜及其制备方法
本专利技术涉及热电功能材料领域，尤其涉及一种可实现单独元素掺杂或多元素掺杂的高性能的锑化钴基热电薄膜及其制备方法。
技术介绍
热电材料是一种能够实现热能和电能直接相互转换的绿色环保型功能材料，以热电材料制作的温差电器件，尺寸小、质量轻、无任何机械转动部分，工作无噪声，使用寿命长、无液态或气态介质，不存在污染环境的问题，可广泛应用于温差发电器、热电制冷器以及传感器等领域。因此制备高性能的热电材料，最终实现环保型的太阳能光热及工业余热废热发电，以及取代高污染的以氟利昂为工质的压缩机制冷实现无污染的半导体热电制冷技术，不但符合绿色环保和低碳经济的要求，同时具有重要的科学意义和广泛的应用前景。当前，由于受热电材料性能的限制，热电器件的应用还远没有达到利用余热废热发电以及取代机械制冷机的地步，这已成为热电器件大规模应用的瓶颈，因此高性能热电材料是当前国际材料研究领域的热点课题之一。热电材料的性能主要由无量纲品质因子ZT值表征的，ZT=TσS2/κ，其中T为绝对温度；σ为材料的电导率；S为Seebeck系数；κ为热导率。其中ZT值中σS2有时又单独定义为功率因子（PF=σS2）。锑化钴（CoSb3）热电材料是一种具有应用前景的应用于中温区的热电材料之一，其热电性能的优化与提高是目前国际热电材料科学的前沿课题。近年来研究发现，热电材料薄膜化有利于提高热电材料的热电特性，主要原因在于：一、可通过维数的降低，形成界面散射效应从而降低材料的热导率，增大材料的热电优值，当薄膜厚度在纳米量级时还能产生量子禁闭效应提高材料的功率因子；二、薄膜化可提高其响应速度、能量密度和小型静态局域化的能力。除此之外，薄膜化的热电材料在转化效率方面和成本方面，都有很大的优势。因此对于CoSb3基热电薄膜的研究具有重要的意义。目前对于CoSb3热电薄膜的制备研究只有少量的报道，效果也不甚理想，主要是目前简单的制备技术并不能制备出多掺杂、高性能的CoSb3基热电薄膜材料，复杂的工艺虽然能够制备出优值较高的CoSb3基热电薄膜，但其制备成本高、工艺复杂都无法满足其产业化的需求。且对于CoSb3基热电薄膜而言，其要长期在中高温度环境下使用，薄膜的高温热稳定性、氧化吸附性等物理特性对于薄膜而言至关重要。除此之外，CoSb3需要相关材料的掺杂，才能够实现热电性能较大的提高。目前最常用的掺杂方式是先将所需要掺杂的材料与CoSb3混合制备成同一靶材，再镀制成薄膜，这种方式成本高，工序繁琐，时间长，同时靶材与膜的化学成分并不相符，可控性差。因此如何简化CoSb3基热电薄膜的合成制备工艺，实现CoSb3基热电薄膜的最优掺杂，获取结构稳定、性能优越的CoSb3基热电薄膜的关键技术，是目前的研究重点。由此可见，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种锑化钴基热电薄膜及其制备方法，旨在解决现有的锑化钴基热电薄膜制备方法工艺繁琐、效率低、可控性差的问题。本专利技术的技术方案如下：一种锑化钴基热电薄膜的制备方法，其中，包括步骤：将锑化钴靶作为溅射靶材，并将需掺杂的材料单独制成掺杂靶材；将溅射靶材和掺杂靶材固定于多工位溅射系统的转靶架上待溅射；采用溅射沉积方法在绝缘衬底上镀制锑化钴薄膜层，同时在溅射过程中，将掺杂的材料分多次溅射到锑化钴薄膜层从而制备得到具有叠层结构的薄膜；最后通过原位热处理获取锑化钴基热电薄膜。所述的锑化钴基热电薄膜的制备方法，其中，溅射过程在惰性气体气氛条件下进行，通过高温原位热处理制备得到所述锑化钴基热电薄膜。所述的锑化钴基热电薄膜的制备方法，其中，将掺杂的材料分多次溅射到锑化钴薄膜层。所述的锑化钴基热电薄膜的制备方法，其中，在溅射完成后，关闭溅射源和进气阀，将真空室压强抽至0.1MPa以下，再在真空室中通入惰性气体，同时增加已镀制的锑化钴薄膜层温度。所述的锑化钴基热电薄膜的制备方法，其中，所述惰性气体为氮气或氩气。所述的锑化钴基热电薄膜的制备方法，其中，所述掺杂的材料包括单质和化合物的一种或几种。所述的锑化钴基热电薄膜的制备方法，其中，所述单质为In、Ti、Se、Mo、Zn、Bi、Cu及Yb等的一种或几种。所述的锑化钴基热电薄膜的制备方法，其中，所述化合物为ZnO、AZO、Bi2Te3等一种或几种。一种锑化钴基热电薄膜，其中，采用如上所述的制备方法制成。有益效果：本专利技术通过采用溅射沉积技术制备锑化钴基热电薄膜，可控性强，有利于薄膜结构的生成，薄膜具有良好的附着性和重复性，可满足大规模生产需要，并且可精准的控制溅射功率、时间等参数以及掺杂材料的掺杂量，采用多叠层的方式，便于多种元素同时进行掺杂，也减少了制备多掺杂元素靶材的繁琐工艺，简化了制备工艺。附图说明图1为本专利技术实施例1中锑化钴基热电薄膜制备流程图。图2为本专利技术实施例2中锑化钴基热电薄膜制备流程图。图3为本专利技术实施例3中锑化钴基热电薄膜制备流程图。图4为本专利技术实施例4中锑化钴基热电薄膜制备流程图。图5为本专利技术实施例5中锑化钴基热电薄膜制备流程图。图6为本专利技术实施例6中锑化钴基热电薄膜制备流程图。图7为本专利技术实施例7中锑化钴基热电薄膜制备流程图。图8a至图8c为本专利技术锑化钴基热电薄膜能谱测量结果。图9为本专利技术实施例1所提供锑化钴基热电薄膜与未掺杂热电薄膜的热电性能测量结果对比图。具体实施方式本专利技术提供一种锑化钴基热电薄膜及其制备方法，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术所提供的一种锑化钴基热电薄膜的制备方法，其包括步骤：将锑化钴靶作为溅射靶材，并将需掺杂的材料单独制成掺杂靶材；将溅射靶材和掺杂靶材固定于多工位溅射系统的转靶架上待溅射；采用溅射沉积方法在绝缘衬底上镀制锑化钴薄膜层，同时在溅射过程中，将掺杂的材料分多次溅射到锑化钴薄膜层从而制备得到具有叠层结构的薄膜；最后通过原位热处理获取锑化钴基热电薄膜。本专利技术是采用溅射沉积方法在制备锑化钴基热电薄膜的过程中，通过多步共溅射法制备叠层合金薄膜，这种叠层的方式便于多种元素同时掺杂，简化了工艺，提高了效率，制造成本更低。并且可精准的控制溅射功率、时间等参数以及掺杂材料的掺杂量，还能保证材料掺杂的均匀性。该方法可控性强，利于薄膜结构的生成，生成的薄膜具有良好的附着性和重复性，可满足大规模的生产需要。具体来说，所述溅射过程是在惰性气体气氛条件下进行，通过高温原位热处理制备得到所述锑化钴基热电薄膜。具体可将掺杂的材料分多次溅射到锑化钴薄膜层。即在绝缘衬底上镀制锑化钴薄膜层时，先将锑化钴溅射至不同时间时，打开掺杂材料的溅射源，开始与锑化钴一起进行共溅射，通过这种多步法制备得到具有周期结构的多叠层锑化钴基热电薄膜。例如，当锑化钴溅射至所需总溅射时间的1/4、1/2、3/4时，打开所需掺杂的材料（以A表示）的溅射源，开始与锑化钴一起进行共溅射，每次共溅射的时间为所需掺杂时间的1/3，即每次共溅射的时间相同。这样通过上述三步法即可得到具有“CoSb3+CoSb3/A+CoSb3”周期结构的多叠层锑化钴基合金薄膜。另外，在溅射完成后，关闭溅射源和进气阀，将真空室压强抽至本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锑化钴基热电薄膜的制备方法，其特征在于，包括步骤：将锑化钴靶作为溅射靶材，并将需掺杂的材料单独制成掺杂靶材；将溅射靶材和掺杂靶材固定于多工位溅射系统的转靶架上待溅射；采用溅射沉积方法在绝缘衬底上镀制锑化钴薄膜层，同时在溅射过程中，将掺杂的材料分多次溅射到锑化钴薄膜层从而制备得到具有叠层结构的薄膜；最后采用原位热处理获得锑化钴基热电薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种锑化钴基热电薄膜的制备方法，其特征在于，包括步骤：将锑化钴靶作为溅射靶材，并将需掺杂的材料单独制成掺杂靶材；将溅射靶材和掺杂靶材固定于多工位溅射系统的转靶架上待溅射；采用溅射沉积方法在绝缘衬底上镀制锑化钴薄膜层，当锑化钴溅射至不同时间时，打开掺杂材料的溅射源，开始与锑化钴一起进行共溅射，每次共溅射的时间相同，制备得到具有叠层结构的薄膜；在溅射完成后，关闭溅射源和进气阀，将真空室压强抽至0.1MPa以下，再在真空室中通入惰性气体，同时增加已镀制的锑化钴薄膜层温度，通过原位热处理以制得最终的锑化钴基热电薄膜。2.根据权利要求1所述的锑化钴基热电薄膜的制备方法，其特征在于，溅射过程在惰性气体气氛条件下进行，通过高温原位热处理制备得到所述锑化...

【专利技术属性】
技术研发人员：范平，郑壮豪，梁广兴，张银，范卫芳，罗景庭，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44