利用真空蒸发镀膜可控制备结构梯度定向生长Sb-Bi-Te膜的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用真空蒸发镀膜可控制备结构梯度定向生长Sb‑Bi‑Te膜的方法，包括步骤：(1)将(Bi0.2Sb0.8)2Te3和Te粉末(质量比(Bi0.2Sb0.8)2Te3:Te＝10:0.8～1.2均匀混合)在8～10MPa压力下压制(Bi0.2Sb0.8)2Te3和Te混合材料成块体；(2)基底在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗后并用氮气吹干；(3)将0.1～0.2g的(Bi0.2Sb0.8)2Te3和Te混合材料压制成的块体放入真空镀膜机真空室的钨舟中；(4)向真空室内充入2～5min氮气；(5)真空度达到2.0×10

【技术实现步骤摘要】
利用真空蒸发镀膜可控制备结构梯度定向生长Sb-Bi-Te膜的方法
本专利技术涉及采用物理气相沉积可控制备结构梯度Sb-Bi-Te膜的方法，特别涉及一种利用真空蒸发镀膜可控制备结构梯度定向生长Sb-Bi-Te膜的方法。
技术介绍
热电材料是一种能实现热能与电能相互转换的固体材料，很适合于制备微型电源和局部制冷器件。用热电材料加工的热电器件在民用领域，尤其是在军事和航天领域有着广泛的应用。不仅可利用各种热能(太阳能、工业、汽车尾气废热)实现发电，也可用作军用卫星、航天器、潜艇的主动热控和飞行器的微型军用电源。而热电转换效率低是制约热电材料发展和应用的主要因素，提高热电优值ZT值(ZT＝TσS2/k，T＝温度、σ＝电导率、k＝热导率、S＝Seebeck系数)一直是热电材料研究的重点。当前国际的研究方向主要集中在对现有体系的掺杂或开发新的多元复杂化合物体系或材料结构低维纳米化上,希望研发出具有高功率因子(σS2)、低热导率(k)的材料。经研究发现Bi2Te3基材料的热电性能在室温附近最好，它们的商用块体的热电品质因子ZT一般在1左右。目前，提升ZT值有两大方法：一是声子工程方法，核心是增强声子散射，降低声子热导率；二是能带工程方法，核心是调控能带结构，优化电导率和Seebeck系数。理论和实验研究均表明热电材料的低维结构化可大幅提高材料的热电优值。因此通过材料微观组织的低维结构梯度化，实现低维结构梯度定向生长。低维结构梯度定向生长膜提供载流子择优输运通道，增强载流子迁移率，从而提高材料的Seebeck系数和改善材料的电导，导致材料的功率因子提升；尤其,在低维结构梯度定向生长膜中，低维结构梯度化可以有利声子散射，即有利于短、中、长波等各波段声子散射，导致极大降低材料的热导。因此，材料微观组织的定向低维结构梯度化是实现碲化铋基热电材料性能突破的重要途径之一，也为开发新颖低维结构梯度定向生长膜的面外型高效热电器件提供一条思路。多年以来有一些方法对碲化铋基材料低维结构进行制备，包括电化学沉积、磁控溅射法、气-液-固催化生长、球磨兼并热压等方法，这些方法有优点，但也存在缺点，比如，电化学沉积能生长可控尺寸、形状和均匀的纳米线，可是它需要移走Al2O3模板；气-液-固催化生长法能沉积单晶纳米线，能很好的控制结构的定向、尺寸和长径比，然而，这方法的产率较低很难用于器件应用中；球磨兼并热压法可以制备低维结构，但很难控制低维粒子在形成块体材料中的分布。而且，这些方法几乎不可能大规模组装低维粒子成结构梯度定向生长材料。这种结构梯度定向生长材料提供载流子择优输运通道，以及结构梯度化有利于短、中、长波等各波段声子散射，从而可使材料具有优异的热电性能。在我们以前的工作中，采用简便的物理气相沉积已成功制备出多级次的Sb2Te3纳米线束阵列膜与多级次Bi1.5Sb0.5Te3柱阵列膜，而这仍然是挑战，开发一种简单适用的方法可控制备结构梯度定向生长(Bi0.2Sb0.8)2Te3膜。根据我们所了解的，新颖的结构梯度定向生长(Bi0.2Sb0.8)2Te3膜到目前未见专利与文献报道。因此，提供一种工艺简单、设计合理、效果非常显著的利用真空蒸发镀膜可控制备结构梯度定向生长Sb-Bi-Te膜的方法，是该领域技术人员当前亟待解决的难题之一。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足之处，为了解决结构梯度定向生长(Bi0.2Sb0.8)2Te3膜热电材料在合成方面存在的诸多问题，本专利技术采用真空蒸发镀膜法，通过调节交流电源输出电流的大小、基底温度以及基底与钨舟的距离。为了Te成分在高温挥发，在真空室钨舟内，放置质量比(Bi0.2Sb0.8)2Te3:Te＝10:0.8～1.2均匀混合原料，直接在玻璃基底上沉积出具有结构梯度定向生长(Bi0.2Sb0.8)2Te3膜。为实现上述目的本专利技术所采用的技术方案是：一种利用真空蒸发镀膜可控制备结构梯度定向生长Sb-Bi-Te膜的方法，即利用真空蒸发镀膜可控制备结构梯度定向生长(Bi0.2Sb0.8)2Te3膜的方法，其特征在于包括下列制备步骤：(1)将质量百分比纯度都为99.99％的(Bi0.2Sb0.8)2Te3和Te粉末(质量比(Bi0.2Sb0.8)2Te3:Te＝10:0.8～1.2均匀混合)在8MPa～10MPa压力下压制(Bi0.2Sb0.8)2Te3和Te混合材料成块体；所述(Bi0.2Sb0.8)2Te3和Te粉末的平均粒径小于50μm；(2)基底在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗5min～10min后取出，并用高纯度99.999％氮气吹干；(3)将0.1g～0.2g的(Bi0.2Sb0.8)2Te3和Te混合材料压制成的块体放入真空镀膜机的真空室的钨舟中，把基底放置于样品台上，调节基底与钨舟的距离d＝3cm～7cm；(4)向真空室内充入2min～5min氮气后停止，随后对真空室抽真空，使真空室内真空度达到2.0×10－4Pa～5.0×10－4Pa；(5)真空度达到2.0×10－4Pa～5.0×10－4Pa时，打开加热控温电源，设定加热温度100℃～200℃，开始对基底升温；(6)温度升至预定温度100℃～200℃后，在PID控制器上设定沉积速率10nm/min～20nm/min，沉积时间2h～3h；(7)开启交流电源，调节输出电流160A～170A；开始在基底上沉积制备结构梯度定向生长(Bi0.2Sb0.8)2Te3膜；(8)制备完毕，关闭交流电源，随真空镀膜机冷却至20℃～40℃后，取出，制得在基底上沉积具有结构梯度定向生长的(Bi0.2Sb0.8)2Te3。本专利技术的有益效果是：(1)采用真空蒸发镀膜法，制备出一种新颖的结构梯度膜材料，膜中颗粒尺寸从底往上逐渐变大，结构梯度非常明显，这有利于短、中、长波等各波段声子散射,大幅降低材料的热导。(2)通过结构梯度化来得到具有极低的热导材料，从而可以提升热电品质因子。利用现代测试手段，系统研究结构梯度化对热电输运性能的影响，建立相应的形成机理模型、结构－性能关系，为研制和开发新颖高ZT常温区用热电材料和器件提供新的思路。(3)性能测试表明结构梯度化热电材料面外热导非常低，比其它非结构梯度(Bi0.2Sb0.8)2Te3材料热导有大幅降低，因此引入结构梯度是一种提高热电材料性能的有效途径。(4)利用简便的真空蒸发镀膜可以大规模的加工出结构梯度定向生长(Bi0.2Sb0.8)2Te3膜，方法简单、新颖，生产环境条件宽松，具有技术的原创性，有显著的实用价值和经济效益。总之，整个沉积工艺过程简单，成本低廉，易于规模化生产，所得到的(Bi0.2Sb0.8)2Te3膜结构梯度化生长，纳米、亚微米颗粒排列有序、结构梯度化。制备的结构梯度定向生长(Bi0.2Sb0.8)2Te3膜性能优异，方便加工成面外型器件。附图说明图1是本专利技术实施例1制得的结构梯度(Bi0.2Sb0.8)2Te3膜的XRD；图2是本专利技术实施例1制得的结构梯度(Bi0.2Sb0.8)2Te3膜侧面的SEM；图3是本专利技术实施例1制得的结构梯度(Bi0.2Sb0.8)2Te3膜表面的SEM；图4是本专利技术实施例2制得的结构梯度(Bi0.2Sb0.8)2Te3膜的XRD；图5是本专利技术实施例2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用真空蒸发镀膜可控制备结构梯度定向生长Sb‑Bi‑Te膜的方法，即利用真空蒸发镀膜可控制备结构梯度定向生长(Bi0.2Sb0.8)2Te3膜的方法，其特征在于包括下列制备步骤：(1)将质量百分比纯度都为99.99％的(Bi0.2Sb0.8)2Te3和Te粉末(质量比(Bi0.2Sb0.8)2Te3:Te＝10:0.8～1.2均匀混合)在8MPa～10MPa压力下压制(Bi0.2Sb0.8)2Te3和Te混合材料成块体；所述(Bi0.2Sb0.8)2Te3和Te粉末的平均粒径小于50μm；(2)基底在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗5min～10min后取出，并用高纯度99.999％氮气吹干；(3)将0.1g～0.2g的(Bi0.2Sb0.8)2Te3和Te混合材料压制成的块体放入真空镀膜机的真空室的钨舟中，把基底放置于样品台上，调节基底与钨舟的距离d＝3cm～7cm；(4)向真空室内充入2min～5min氮气后停止，随后对真空室抽真空，使真空室内真空度达到2.0×10

【技术特征摘要】
1.一种利用真空蒸发镀膜可控制备结构梯度定向生长Sb-Bi-Te膜的方法，即利用真空蒸发镀膜可控制备结构梯度定向生长(Bi0.2Sb0.8)2Te3膜的方法，其特征在于包括下列制备步骤：(1)将质量百分比纯度都为99.99％的(Bi0.2Sb0.8)2Te3和Te粉末(质量比(Bi0.2Sb0.8)2Te3:Te＝10:0.8～1.2均匀混合)在8MPa～10MPa压力下压制(Bi0.2Sb0.8)2Te3和Te混合材料成块体；所述(Bi0.2Sb0.8)2Te3和Te粉末的平均粒径小于50μm；(2)基底在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗5min～10min后取出，并用高纯度99.999％氮气吹干；(3)将0.1g～0.2g的(Bi0.2Sb0.8)2Te3和Te混合材料压制成的块体放入真空镀膜机的真空室的钨舟中，把基底放置于样品台上，调节基底与钨舟的距离d＝3cm～7cm；(4)向真空室内充入2min～5min氮气后停止，随后对真空室抽真空，使真空室内真空度达到2.0×10－4Pa～5.0×10－4Pa；(5)真空度达到2.0×10－4Pa～5.0×10－4Pa时，打开加热控温电源，设定加热温度100℃～200℃，开始对基底升温；(6)温度升至预定温度100℃～200℃后，在PID控制器上设定沉积速率10nm/min～20nm/min，沉积时间2h～3h；(7)开启交流电源，调节输出电流160A～170A；开始在基底上沉积制备结构梯度定向生长(Bi0.2Sb0.8)2Te3膜；(8)制备完毕，关闭交流电源，随真空镀膜机冷却至20℃～40℃后，取出...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭明，郝延明，谢宁，秦月婷，焦永芳，郭婷婷，李天晶，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：天津,12