一种ZnSb基热电薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种ZnSb基热电薄膜及其制备方法，方法包括步骤：选择纯度大于99.99 %的Zn靶材和纯度大于99.99 %的Sb靶材作为原料，分别将Zn靶材和Sb靶材切割成条状，然后将周期性交替排列的Zn靶材和Sb靶材固定于基板上，然后将固定好靶材的基板固定在离子束溅射系统的工位靶材架上，将离子束溅射系统本底真空度抽至8.0×10

ZnSb based thermoelectric thin film and its preparation method

The invention discloses a ZnSb based thermoelectric film and a preparation method thereof. The method comprises the following steps: Sb target selection of purity of more than 99.99% Zn target and the purity of more than 99.99% as raw materials, respectively Zn target and Sb target will be cut into strips, and then periodically arranged Zn target and Sb target fixed on the substrate, the substrate is then fixed target is fixed on the frame position target ion beam sputtering system, ion beam sputtering system the base vacuum pumping to 8 x 10

【技术实现步骤摘要】
一种ZnSb基热电薄膜及其制备方法
本专利技术涉及薄膜材料制备领域，尤其涉及一种ZnSb基热电薄膜及其制备方法。
技术介绍
当今全球常规化能源的大量使用已经造成愈演愈烈的能源危机和气候变暖问题，迫切需要积极推进和提倡使用洁净的可再生能源。温差电池是适用范围很广的绿色环保型能源，其利用热电材料的热电效应将热能和电能直接相互耦合、相互转换，实现发电，具有无噪声、无有害物质排放、可靠性高、寿命长等一系列优点，其在余热废热发电和移动分散式热源利用等方面有难以取代的作用，但是基于热电材料本身的特性，其制造成本高，转换效率低，限制了温差发电机组的大规模使用。热电材料的性能主要由一个无量纲常量ZT表征，其中ZT=S2×σ×T÷k，其中S为塞贝克系数，σ为电导率，T为绝对温度（即材料所处的温度，不同温度条件下S，σ，K值都不相同），k为热导率。近年来研究发现，将热电材料薄膜化可提高材料的热电性能，且二维的薄膜材料，可以根据需要独立制成热电器件，而且更易实现微型化热电器件，具有体材料所不能比拟的优势。因此，对于热电薄膜材料的研究成为了温差器件领域的重要研究方向之一。ZnSb基材料是中温区热电材料，工作温度范围为300～670K。其具有高的塞贝克系数，高的电导率和低的热导率，展现了其在中温区广阔的应用前景，使其备受关注，是人们研究用来回收利用工业废气和汽车废热的发电材料之一。鉴于材料薄膜化存在的优势，对于ZnSb基薄膜的研究，也有较多的报道。如日本T.Koyanagi等人利用离化原子团束技术制备生长Zn-Sb薄膜，制备出塞贝克系数高达660μV/K的样品，材料的热电性能得到了一定的提高，但是材料的厚度达到十几个微米，热导率接近块体材料；丹麦YeSun等人通过溅射法制备出了单相的Zn4Sb3热电薄膜，热电优值为1.15。根据上述的报道，虽然表明了对于ZnSb基热电薄膜的研究有了一定的进展，但ZnSb基热电薄膜的性能却没有得到很大的提高，主要的原因在于各种制备技术中存在不足，如目前应用最广泛的溅射法和蒸发法，在制备ZnSb薄膜时，由于需要进行中高温的热处理技术，容易造成材料中活泼金属Zn的大量缺失，难以实现高性能的高价态的ZnSb热电薄膜的制备；同时由于一般使用的是合金靶材，制造成本高，同时靶材易于受热不均开裂。因此，如何实现高性能的锑化锌基热电薄膜的制备，同时减低制造成本以及简化制造技术，是实现热电材料大规模使用的关键所在。
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ZnSb基热电薄膜及其制备方法，旨在解决现有制备方法易使靶材中毒和破碎，且制备成本高的问题。本专利技术的技术方案如下：一种ZnSb基热电薄膜的制备方法，其中，包括步骤：A、选择纯度大于99.99%的Zn靶材和纯度大于99.99%的Sb靶材作为原料，分别将Zn靶材和Sb靶材切割成条状，然后将周期性交替排列的Zn靶材和Sb靶材固定于基板上；B、将固定好靶材的的基板固定在离子束溅射系统的工位靶材架上，将离子束溅射系统本底真空度抽至8.0×10-4Pa，通入惰性气体，将系统内压强控制在8.0×10-2Pa及以下；C、控制离子束溅射束流和离子束溅射屏压，进行薄膜沉积，得到ZnSb基热电薄膜。所述的ZnSb基热电薄膜的制备方法，其中，步骤A中，所述周期性交替排列的Zn靶材和Sb靶材为Zn/Sb/Zn/Sb、Sb/Zn/Sb/Zn、Zn/Zn/Sb/Zn/Zn/Sb、Sb/Sb/Zn/Sb/Sb/Zn中的一种。所述的ZnSb基热电薄膜的制备方法，其中，步骤A中，所述基板为Zn基板、Sb基板中的一种。所述的ZnSb基热电薄膜的制备方法，其中，步骤B中，通入流量为10sccm以下的Ar气。所述的ZnSb基热电薄膜的制备方法，其中，步骤C中，离子束溅射束流为1-50mA。所述的ZnSb基热电薄膜的制备方法，其中，步骤C中，离子束溅射屏压为0.1-3.0KeV。一种ZnSb基热电薄膜，其中，采用如上任一所述的ZnSb基热电薄膜的制备方法制备而成。所述的ZnSb基热电薄膜，其中，所述ZnSb基热电薄膜的厚度为100-2000nm。一种ZnSb基热电薄膜的制备方法，其中，包括步骤：A1、选择纯度为99.99%的Zn靶材和纯度为99.99%的Sb靶材作为原料，分别将Zn靶材和Sb靶材切割成条状，然后按照Zn/Sb/Zn/Sb周期性交替的方式将Zn靶材和Sb靶材进行排列，形成复合靶；B1、将复合靶固定于基板上，然后将固定好复合靶的基板固定在离子束溅射系统的工位靶材架上，以玻璃作为基底，将离子束溅射系统本底真空度抽至8.0×10-4Pa，通入流量为10sccmAr气，将系统内压强控制在8.0×10-2Pa；C1、固定离子束溅射束流为10mA，离子束溅射屏压为0.8KeV，进行薄膜，得到ZnSb基热电薄膜。有益效果：与现有技术相比，本专利技术中的ZnSb基热电薄膜的制备方法具有如下优点：1.将Zn靶材和Sb靶材以周期性交替排列的方式形成复合靶，所采用的复合靶形式，不仅靶材具有高的导热性，可保证制备过程中靶材损伤小，不易中毒和破碎，且沉积速率比多元合金靶材更快，从而保证了所制备薄膜的质量；2.可通过控制复合靶材的放置周期及制备参量调节，调控ZnSb基热电薄膜中元素的比例，实现制备不同半导体类型的ZnSb基热电薄膜，因此具有更高的灵活性、可控性。附图说明图1为实施例1中周期性交替排列的靶材固定于基板，基板固定于靶材架的俯视图。图2为实施例1中周期性交替排列的靶材固定于基板，基板固定于靶材架的截面示意图。具体实施方式本专利技术提供一种ZnSb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。本专利技术的一种ZnSb基热电薄膜的制备方法较佳实施例，其中，包括步骤：A、选择纯度大于99.99%的Zn靶材和纯度大于99.99%的Sb靶材作为原料，分别将Zn靶材和Sb靶材切割成条状，然后将周期性交替排列的Zn靶材和Sb靶材固定于基板上；B、将固定好靶材的基板固定在离子束溅射系统的工位靶材架上，将离子束溅射系统本底真空度抽至8.0×10-4Pa，通入惰性气体（如Ar气），将系统内压强控制在8.0×10-2Pa及以下；C、控制离子束溅射束流和离子束溅射屏压，进行薄膜沉积，得到ZnSb基热电薄膜。优选地，步骤A中，所述周期性交替排列的Zn靶材和Sb靶材为Zn/Sb/Zn/Sb、Sb/Zn/Sb/Zn、Zn/Zn/Sb/Zn/Zn/Sb、Sb/Sb/Zn/Sb/Sb/Zn等中的一种。本专利技术将Zn靶材和Sb靶材按照周期性交替的方式进行排列，形成复合靶。然后将复合靶再进行薄膜沉积，得到ZnSb基热电薄膜。与现有合金靶材相比，本专利技术具有沉积速率更快，靶材不易中毒，且靶材不易受热破碎，利用率更高等优点。优选地，步骤A中，所述基板可以为Zn基板、Sb基板或其它导热良好材质基板中的一种。优选地，步骤C中，离子束溅射束流可以为1-50mA，例如可以为10mA、12mA或15mA。优选地，步骤C中，离子束溅射屏压为0.1-3.0KeV，例如可以为0.8KeV或1.0KeV。本专利技术方法是利用单质靶材制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ZnSb基热电薄膜的制备方法，其特征在于，包括步骤：A、选择纯度大于99.99 %的Zn靶材和纯度大于99.99 %的Sb靶材作为原料，分别将Zn靶材和Sb靶材切割成条状，然后将周期性交替排列的Zn靶材和Sb靶材固定于基板上；B、将固定好靶材的基板固定在离子束溅射系统的工位靶材架上，将离子束溅射系统本底真空度抽至8.0×10

【技术特征摘要】
1.一种ZnSb基热电薄膜的制备方法，其特征在于，包括步骤：A、选择纯度大于99.99%的Zn靶材和纯度大于99.99%的Sb靶材作为原料，分别将Zn靶材和Sb靶材切割成条状，然后将周期性交替排列的Zn靶材和Sb靶材固定于基板上；B、将固定好靶材的基板固定在离子束溅射系统的工位靶材架上，将离子束溅射系统本底真空度抽至8.0×10-4Pa，通入惰性气体，将系统内压强控制在8.0×10-2Pa及以下；C、控制离子束溅射束流和离子束溅射屏压，进行薄膜沉积，得到ZnSb基热电薄膜。2.根据权利要求1所述的ZnSb基热电薄膜的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述周期性交替排列的Zn靶材和Sb靶材为Zn/Sb/Zn/Sb、Sb/Zn/Sb/Zn、Zn/Zn/Sb/Zn/Zn/Sb、Sb/Sb/Zn/Sb/Sb/Zn中的一种。3.根据权利要求1所述的ZnSb基热电薄膜的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述基板为Zn基板、Sb基板中的一种。4.根据权利要求1所述的ZnSb基热电薄膜的制备方法，其特征在于，步骤B中，通入流量为10sccm以下的Ar气。5.根据权利要求1所述的ZnSb基热电薄...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑壮豪，范平，尹媚媚，罗景庭，梁广兴，钟爱华，李甫，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44