一种中温量子阱超晶格厚膜热电材料制备方法技术

本发明专利技术公开了热电材料技术领域的一种中温量子阱超晶格厚膜热电材料制备方法，该方法主要包含以下步骤：步骤一：将基底放置在加热台上并固定，启动加热台、箱体加热器和进气管加热器进行预热，步骤二：打开惰性气体管、前驱动体A管、前驱体B管和排气管，同时启动直线滑台带动加热台和基底移动进行原子层沉积操作，本方法实现了在常压下的沉积反应，摆脱了真空条件的限制，有利于降低薄膜制备成本，实现薄膜的高效率、低成本和批量化制备，避免惰性气体、前驱动体A和前驱动体B导致沉积温度超出ALD窗口之外，以致前驱体冷凝或热分解等引发化学气相沉积从而使得薄膜不均匀。

A Method for Preparing Medium Temperature Quantum Well Superlattice Thick Film Thermoelectric Material

【技术实现步骤摘要】
一种中温量子阱超晶格厚膜热电材料制备方法
本专利技术公开了一种中温量子阱超晶格厚膜热电材料制备方法，具体为热电材料

技术介绍
热电材料是利用固体内载流子和声子的传输及相互作用来实现热能和电能相互转换的半导体功能材料，具有无噪、轻便、绿色等优点，在温差发电和制冷领域具有重要的应用价值和前景。自从能源危机之后，发达国家都在寻求高效、无污染的能量转换方式，以达到合理有效利用余热、废热、地热、太阳能以及海洋温差等能量的目的。传统的PbTe是已经成熟的工业化的商用热电材料，主要用于中温阶段(400-700℃)，工作温度的上限由材料的化学稳定性决定。PbTe系半导体化合物，材料是以铅、碲或硒为原料，按一定的化学组成和掺杂工艺制备得到。其化学键属于金属键类型，具有NaCl型晶体结构，属面心立方点阵，其熔点较高(1095K)，禁带宽度较大(约0.3eV)，是化学稳定性较好的大分子量化合物。合成工艺较简单，而且可以做成n型或p型材料，广泛应用于温差致冷，如温差发电机和级联温差发电机的中温段。商业化的PbTe的ZT值仅能达到有0.80左右，相应的器件热电转换效率极低，材料的转换效率一般为5％左右，严重限制了其应用。PbTe和PbSe形成的固溶体合金可以提高材料的热电性能，这可能源于合金中的晶格存在短程无序，增加了短波声子的散射，使晶格热导率显著下降，从而使其低温区的优值增加。但在高温区，ZT值没有明显的提高，因为形成PbTe-PbSe合金后，材料的禁带明显变窄，导致少数载流子的作用增加所致。传统的粉末冶金法主要用于制备多晶粉体PbTe材料，利用传统的球磨和熔炼工艺最终得到想要的热电材料。冶金法合成的材料由于多晶结构，机械性能有所增强，有效避免了区域熔炼法所获材料易解离的缺点，但在关键的热电性能上由于材料密度不理想，导致热电优值(ZT)较低。传统的定向区域熔炼主要用于生产PbTe晶棒材料，通过调控材料生长的冷却速率等来制备高质量的PbTe单晶材料，但这种方法能耗大，不利于之后进一步的生产加工，在器件制造过程中造成浪费且影响整体器件的工作寿命，导致较高的废品率。用于制备高质量热电超晶格薄膜的技术主要有分子束外延法(MBE)、电化学原子层外延法(EC-ALE)和金属有机化合物气相沉积(MOCVD)。首选方法是分子束外延(MBE)，众所周知，这种方法存在设备复杂，价格昂贵和工艺过程复杂等缺陷，这种慢速而又昂贵的技术仅在制造的量子阱超晶格厚度在100纳米量级时或产品用于高精尖国防工业时才具备可行性。EC-ALE法虽然简单，设备成本低廉，但存在着影响因素复杂，比如沉积电势，电极，衬底材料特性，溶液温度，电解质浓度等交互影响，从而导致薄膜可能出现质量较差，成分偏离化学计量比及形貌不一致等缺陷。因此用EC-ALE方法制备成分复杂或高性能的超晶格热电薄膜材料较为困难。MOCVD方法与MBE方法类似，存在着工艺设备复杂，生产成本昂贵和工艺过程复杂等缺陷，其最大的限制还在于原材料，其原材料为金属有机化合物，合成困难，成本高且大都有毒、易爆、易燃，在薄膜的制备过程中会释放有毒气体如(H2Te、H2Se)，造成环境污染。利用氧化铝(AAO)纳米孔基底，结合电化学沉积方法是非常有效的一维纳米材料合成方法，现有的中温量子阱超晶格厚膜热电材料制备方法大多在真空环境下进行薄膜制备，在沉积反应中，将基底放置于反应腔体中并保持静止状态，两种前驱体按照时间顺序交替通入到反应腔体中，在两种前驱体之间通入惰性气体，清洗半反应的副产物和未反应的前驱体，该方法在不同批次的基底切换过程中会中断真空环境，打开腔体进行基底切换会造成沉积反应不能连续进行，从而大大增加整个薄膜制备的时间，再者真空腔体价格相对比较高，难以实现低成本、高效率、批量化的薄膜制备。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种中温量子阱超晶格厚膜热电材料制备方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种中温量子阱超晶格厚膜热电材料制备方法，该方法包含以下步骤：步骤一：将基底放置在加热台上并固定，启动加热台、箱体加热器和进气管加热器进行预热；步骤二：打开惰性气体管、前驱动体A管、前驱体B管和排气管，同时启动直线滑台带动加热台和基底移动进行原子层沉积操作。优选的，所述惰性气体管设置有三组，所述惰性气体管分布在前驱动体A管和前驱体B管的之间和外部。优选的，所述惰性气体管、前驱动体A管和前驱体B管之间设置有物理空间。优选的，所述惰性气体管、前驱动体A管和前驱体B管的外壁下部均设置有喷头。优选的，所述惰性气体管、前驱动体A管和前驱体B管的外壁均设置有加热翅片。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)本方法将两种前驱体持续通入到喷头的不同位置，不同前驱体之间通过物理空间和惰性气体隔离，防止交叉感人，基底在喷头下方往复运动完成薄膜沉积，当基底通过前驱体A扩散区域时，完成一个半反应，然后基底继续运动到惰性气体扩散区域完成基底的清洗，此后基底继续运动到前驱体B扩散区域，完成另一个半反应，基底再次运动到惰性气体扩散区域完成基底的清洗，本方法客服了通过实践隔离来清洗残余物质的限制，缩短了反应周期，提高了反应速率。并且，通过提高基底的运动速度可进一步提高反应速率，通过扩展多个反应模块可以实现在大面积基底上的沉积，通过控制基底在不同的前驱体区域之间穿梭的次数可以精确控制薄膜厚度，此外本方法实现了在常压下的沉积反应，摆脱了真空条件的限制，有利于降低薄膜制备成本，实现薄膜的高效率、低成本和批量化制备；2)本方法中惰性气体管、前驱动体A管和前驱体B管的一端均深入箱体的内腔，通过进气管加热器对惰性气体、前驱动体A和前驱动体B进行加热，避免惰性气体、前驱动体A和前驱动体B导致沉积温度超出ALD窗口之外，以致前驱体冷凝或热分解等引发化学气相沉积从而使得薄膜不均匀。附图说明图1为本专利技术中温量子阱超晶格厚膜热电材料制备结构正视示意图；图2为本专利技术中温量子阱超晶格厚膜热电材料制备结构正视剖视示意图；图3为本专利技术ALD反应窗口示意图。图中：100箱体、200直线滑台、210加热台、220基底、230箱体加热器、300惰性气体管、310前驱体A管、320前驱体B管、330排气管、340喷头、350进气管加热器、360加热翅片。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。一种中温量子阱超晶格厚膜热电材料制备方法，该方法包含以下步骤：步骤一：将基底220放置在加热台210上并固定，启动加热台210、箱体加热器230和进气管加热器350进行预热，加热台210温度设置在90℃，箱体加热器230温度设置在90℃，进气管加热器350温度设置在90℃，加热台210和箱体加热器230用于保持基底220顶底温度相一致，避免冷热不均导致基底220变形；步骤二：打开惰性气体管300、前驱动体A管310、前驱体B管320和排气管330，同时启动直线滑台200带动加热台210和基底220移动进行原子层沉积本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中温量子阱超晶格厚膜热电材料制备方法，其特征在于该方法包含以下步骤：步骤一：将基底(220)放置在加热台(210)上并固定，启动加热台(210)、箱体加热器(230)和进气管加热器(350)进行预热；步骤二：打开惰性气体管(300)、前驱动体A管(310)、前驱体B管(320)和排气管(330)，同时启动直线滑台(200)带动加热台(210)和基底(220)移动进行原子层沉积操作。

【技术特征摘要】
1.一种中温量子阱超晶格厚膜热电材料制备方法，其特征在于该方法包含以下步骤：步骤一：将基底(220)放置在加热台(210)上并固定，启动加热台(210)、箱体加热器(230)和进气管加热器(350)进行预热；步骤二：打开惰性气体管(300)、前驱动体A管(310)、前驱体B管(320)和排气管(330)，同时启动直线滑台(200)带动加热台(210)和基底(220)移动进行原子层沉积操作。2.根据权利要求1所述的一种中温量子阱超晶格厚膜热电材料制备方法，其特征在于：所述惰性气体管(300)设置有三组，所述惰性气体管(300)分布在前驱动体A管(310)和前...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈哲，何翠群，沈智，徐国栋，余阳春，何雪龙，幸世文，
申请(专利权)人：南昌工程学院，
类型：发明
国别省市：江西,36