一种透明热电模块的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种透明热电模块的制备方法，属于功能材料及器件领域。本发明专利技术所述方法首先采用脉冲激光沉积在双面抛光Al

Method for preparing transparent thermoelectric module

The invention discloses a method for preparing a transparent thermoelectric module, belonging to the field of functional materials and devices. The method of the invention first uses pulsed laser deposition on both sides to polish Al

【技术实现步骤摘要】
一种透明热电模块的制备方法
本专利技术公开了一种透明热电模块的制备方法，属于功能材料及器件领域。
技术介绍
随着社会和工业化的高速发展，能源危机和环境污染问题日趋严重，可再生能源和清洁能源的开发日益迫切。热电模块可以实现温差和直流电的直接转换，且有无机械部件、无噪声、无污染等优点，在工业废热利用、汽车尾气废热发电和可穿戴设备等领域有广阔应用前景。目前市场上的热电模块多由传统合金块材组成π型热电臂阵列，通过金属电极将热电臂电串联、热并联成温差热电模块。此类热电模块由于受材料种类、材料维度和模块构型的限制，存在工作温度低、模块体积大、输出功率密度低、原料毒性大、成本高等普遍缺陷。氧化物薄膜热电模块作为近年新兴的研究领域，与传统合金块材模块相比，由于在材料稳定性和尺寸维度等方面的优势，具有使用温度高、物理化学稳定性好、模块体积小等显著优点，使其更适合在可穿戴设备中应用。而如果能实现热电模块整体的全透明性，则更能增强可穿戴设备的美感和现代感，提升模块的实际应用价值和前景。目前尚无透明热电模块或其制备工艺的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种透明热电模块的制备方法，具体包括以下步骤：（1）P型透明热电臂淀积：采用脉冲激光沉积技术，以P-CuCr1-xMgxO2陶瓷为靶材，在双面抛光Al2O3(0001)单晶衬底的其中一个表面淀积P-CuCr1-xMgxO2薄膜，淀积过程中用镍掩膜板Ⅰ遮挡衬底表面，以获得P型透明热电臂阵列；（2）N型透明热电臂淀积：将步骤（1）中的双面抛光Al2O3(0001)单晶衬底翻转180°，镍掩膜板Ⅰ位置不变，采用脉冲激光沉积技术，以N-Zn1-yAlyO陶瓷为靶材，在双面抛光Al2O3(0001)单晶衬底的另一表面淀积N-Zn1-yAlyO薄膜，得到N型透明热电臂阵列；其中，每个条状P-CuCr1-xMgxO2薄膜和其背面对应的条状N-Zn1-yAlyO薄膜之间呈X形交叉分布；所述镍掩膜板Ⅰ的镂空掩膜图案为若干倾斜条状，条状之间相互平行、等距排列；通过镍掩膜板Ⅰ的镂空掩膜图案和与双面抛光Al2O3(0001)单晶衬底的相对位置，控制P-CuCr1-xMgxO2薄膜和N-Zn1-yAlyO薄膜在双面抛光Al2O3(0001)单晶衬底上的淀积位置和形状，使最终得到的P型透明热电臂阵列和N型透明热电臂阵列均为若干相互平行、等距排列的倾斜条状，且每个条状P-CuCr1-xMgxO2薄膜和其背面对应的条状N-Zn1-yAlyO薄膜之间呈X形交叉分布；（3）金电极制备：采用离子溅射技术在双面抛光Al2O3(0001)单晶衬底的边缘两侧上淀积金电极，淀积过程中用镍掩膜板Ⅱ遮挡双面抛光Al2O3(0001)单晶衬底的边缘两侧；淀积完成后进行退火；最终使每个金电极覆盖在P-CuCr1-xMgxO2薄膜和N-Zn1-yAlyO薄膜的连接处，使P-CuCr1-xMgxO2薄膜和N-Zn1-yAlyO薄膜依次连接，形成两个独立的串联通路。通过镍掩膜板Ⅱ的镂空掩膜图案和与双面抛光Al2O3(0001)单晶衬底的相对位置，使每个金电极覆盖在P-CuCr1-xMgxO2薄膜和N-Zn1-yAlyO薄膜的连接处，使P-CuCr1-xMgxO2薄膜和N-Zn1-yAlyO薄膜依次连接，形成两个独立的串联通路。优选的，本专利技术所述P-CuCr1-xMgxO2陶瓷的制备方法为：将Cu2O、Cr2O3、MgO粉末按元素摩尔比Cu:Cr:Mg=1:(1-x):x混合、研磨1~3h，再放入不锈钢模具中压片成型，之后在空气气氛、1000~1200℃高温烧结10~20h得到P-CuCr1-xMgxO2陶瓷。优选的，本专利技术所述P-CuCr1-xMgxO2中x的值为0.01≤x≤0.08。优选的，本专利技术所述N-Zn1-yAlyO陶瓷的制备方法为：将ZnO与Al2O3粉末按元素摩尔比Zn:Al=(1-y):y混合、研磨1~3h，再放入不锈钢模具中压片成型，之后在空气气氛、1200~1600℃高温烧结10~20h得到N-Zn1-yAlyO陶瓷。优选的，本专利技术所述N-Zn1-yAlyO中y的范围为0.005≤y≤0.02。优选的，本专利技术所述步骤（1）中脉冲激光沉积技术的工艺条件为KrF准分子激光波长248nm，激光脉宽28ns，激光能量250~350mJ，激光频率3~5Hz，背底真空1×10-3~1×10-4Pa，生长温度700~760℃，生长流动氧压0.5~1.5Pa。优选的，本专利技术所述步骤（2）中脉冲激光沉积技术的工艺条件为KrF准分子激光波长248nm，激光脉宽28ns，激光能量250~350mJ，激光频率5~15Hz，背底真空1×10-3~1×10-4Pa，生长温度250~350℃，生长流动氧压1~10Pa。优选的，本专利技术所述步骤（3）中金电极的厚度为20~30nm，离子溅射技术的条件为溅射温度为室温，真空度10~20Pa，溅射电流1~2mA；退火的条件为在10-2~10-3Pa、150~200℃的条件下退火0.5~1h。优选的，本专利技术所述P-CuCr1-xMgxO2薄膜的厚度为100~300nm；N-Zn1-yAlyO薄膜的厚度为100~300nm。优选的，本专利技术所述镍掩膜板Ⅰ的面积大于双面抛光Al2O3(0001)单晶衬底的面积，以完全覆盖双面抛光Al2O3(0001)单晶衬底的淀积表面。优选的，本专利技术步骤（3）中所述镍掩膜板Ⅱ的镂空掩膜图案为若干水平、等距排列的矩形，矩形个数比条状P-CuCr1-xMgxO2薄膜或条状N-Zn1-yAlyO薄膜的个数多一个，矩形间距等于相邻两条P-CuCr1-xMgxO2薄膜或相邻两条N-Zn1-yAlyO薄膜间沿衬底长边方向的间距，矩形宽度等于单个条状P-CuCr1-xMgxO2薄膜或单个条状N-Zn1-yAlyO薄膜沿衬底长边方向的宽度，矩形长度大于双面抛光Al2O3(0001)单晶衬底的厚度。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：在不增加现有氧化物薄膜热电模块的制备环节的情况下，提高了P-N热电臂在单晶衬底上的集成度，增大了单位面积上模块的输出功率；在相同工作条件下，达到相同的输出功率或输出电压所需占用的空间减小，减少了衬底和电极材料的用量，降低了模块的制造成本；热电模块在可见光波段透过率高，肉眼观察为透明。除了上述的目的、特征和有益效果外，本专利技术具有的其他目的、特征和有益效果将结合附图作进一步详细说明。附图说明图1为本专利技术制备方法中步骤（1）的示意图。图2为本专利技术制备方法中步骤（2）的示意图。图3为本专利技术制备方法中步骤（3）的示意图。图4为本专利技术镍掩膜板Ⅰ的俯视图。图5为本专利技术镍掩膜板Ⅱ的俯视图。图6为按照本专利技术的制备方法获得的薄膜热电模块的俯视图。图7为按照本专利技术的制备方法获得的薄膜热电模块的侧视图。图中：1-双面抛光Al2O3(0001)单晶衬底；2-P-CuCr1-xMgxO2薄膜；3-N-Zn1-yAlyO薄膜；4-镍掩膜板Ⅰ；41-镂空掩膜图案Ⅰ；5-金电极；6-镍掩膜板Ⅱ；61-镂空掩膜图案Ⅱ。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于所述内容。实施例1一种透明热电模块的制备方法，参见附图1-7，包括以下步骤：（1）P本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透明热电模块的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：（1）P型透明热电臂淀积：采用脉冲激光沉积技术，以P‑CuCr

【技术特征摘要】
1.一种透明热电模块的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：（1）P型透明热电臂淀积：采用脉冲激光沉积技术，以P-CuCr1-xMgxO2陶瓷为靶材，在双面抛光Al2O3(0001)单晶衬底的其中一个表面淀积P-CuCr1-xMgxO2薄膜，淀积过程中用镍掩膜板Ⅰ遮挡衬底表面，以获得P型透明热电臂阵列；（2）N型透明热电臂淀积：将步骤（1）中的双面抛光Al2O3(0001)单晶衬底翻转180°，镍掩膜板Ⅰ位置不变，采用脉冲激光沉积技术，以N-Zn1-yAlyO陶瓷为靶材，在双面抛光Al2O3(0001)单晶衬底的另一表面淀积N-Zn1-yAlyO薄膜，得到N型透明热电臂阵列；其中，每个条状P-CuCr1-xMgxO2薄膜和其背面对应的条状N-Zn1-yAlyO薄膜之间呈X形交叉分布；所述镍掩膜板Ⅰ的镂空掩膜图案为若干倾斜条状，条状之间相互平行、等距排列；（3）金电极制备：采用离子溅射技术在双面抛光Al2O3(0001)单晶衬底的边缘两侧上淀积金电极，淀积过程中用镍掩膜板Ⅱ遮挡双面抛光Al2O3(0001)单晶衬底的边缘两侧；淀积完成后进行退火；最终使每个金电极覆盖在P-CuCr1-xMgxO2薄膜和N-Zn1-yAlyO薄膜的连接处，使P-CuCr1-xMgxO2薄膜和N-Zn1-yAlyO薄膜依次连接，形成两个独立的串联通路。2.根据权利要求1所述透明热电模块的制备方法，其特征在于：P-CuCr1-xMgxO2陶瓷的制备方法为：将Cu2O、Cr2O3、MgO粉末按元素摩尔比Cu:Cr:Mg=1:(1-x):x混合、研磨1~3h，再放入不锈钢模具中压片成型，之后在空气气氛、1000~1200℃高温烧结10~20h得到P-CuCr1-xMgxO2陶瓷。3.根据权利要求2所述透明热电模块的制备方法，其特征在于：P-CuCr1-xMgxO2中x的值为0.01≤x≤0.08。4.根据权利要求1所述透明热电模块的制备方法，其特征在于：N-Zn1-yAlyO陶瓷的制备方法为：将ZnO与Al2O3粉末按元素摩尔比Zn:Al=(1-y):y混合、研磨1~3h，再放入不锈钢模具中压片成型，之后在空气气氛、1200~1600℃高温烧结10~20...

【专利技术属性】
技术研发人员：虞澜，宋世金，刘安安，胡建力，刘丹丹，樊堃，崔凯，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53