納米晶Bi-,2-Te-,3-熱電薄膜材料的電化學(xué)制備、結(jié)構(gòu)及性能研究.pdf

1、本學(xué)位論文主要研究了納米晶Bi<,2>Te<,3>熱電薄膜材料的電化學(xué)沉積制備，分別分析研究了不同電沉積方法(恒壓法、脈沖電壓法)，不同沉積條件(沉積電位、電解液濃度、超聲環(huán)境、添加劑濃度)對Bi<,2-x>Te<,3+x>薄膜的電化學(xué)沉積過程、物相(相結(jié)構(gòu)、成分、晶粒尺寸)及微觀形貌的影響，實(shí)現(xiàn)了薄膜晶粒大小、成分的有效控制。另外，還對具有不用晶粒大小的納米晶Bi<,2>Te<,3>熱電薄膜樣品進(jìn)行了電阻率、熱穩(wěn)定性測試，及退火研究。

2、本論文利用電流-電壓循環(huán)掃描曲線分析了Bi<2-x>Te<,3+x>薄膜的電化學(xué)沉積過程。另外，采用掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜(EDS)和X射線衍射(XRD)等測試手段對沉積膜的微觀表面形貌、成分、相結(jié)構(gòu)和晶粒大小進(jìn)行了表征，使用四探針測試儀檢測了納米晶薄膜的電阻率特性，通過差示掃描量熱儀(DSC)研究了納米晶薄膜的熱穩(wěn)定性。 研究結(jié)果表明，沉積電位負(fù)于-110mv時(shí)，沉積膜結(jié)構(gòu)疏松，成膜性差。脈沖沉積法對提高薄膜形核速率，

3、抑制品核長大有明顯作用，但不能確保Bi<'3+>與Te<'4+>共沉積形成Bi<,2>Te<,3>合金。檸檬酸添加劑能有效實(shí)現(xiàn)Bi<'3+>離子與Te<,4+>離子的共沉積，同時(shí)對細(xì)化晶粒有明顯作用。通過調(diào)節(jié)沉積參數(shù)，用電化學(xué)方法均可沉積制備熱電器件需要的P型(富Bi的Bi<,2>Te<,3>相)及n型(富Te的Bi<,2>Te<,3>相)納米晶Bi<,2>Te<,3>熱電薄膜材料。富余的Bi/Te以固溶體的形式存在于Bi<,2>Te<

4、,3>晶體中。此外，論文指出得到Bi<,2>Te<,3>合金成分，同時(shí)又能使晶粒細(xì)化的關(guān)鍵是控制電沉積速度。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種快速、低廉、大面積制備無污染、致密的Bi<,2>Te<,3>納米晶薄膜的方法，平均晶粒尺寸為26nm，膜厚的生長速度為160nm/min該研究工作具有新穎性，且具有較高的應(yīng)用價(jià)值和理論價(jià)值。 本論文制備的納米晶Bi2Te3熱電薄膜的電阻率在4～20×10<-3>Ω·cm之間，薄膜電阻率隨晶粒尺寸的減少

5、而增大。80﹪測量樣品的電阻率低于Bi<,2>Te<,3>單晶塊體的電阻率(7.5×10<,-3>Ω·cm)。另外，薄膜中的微觀空隙對其電阻率值也有重要影響。論文通過大量的實(shí)驗(yàn)和工藝探索，制備出了平均粒徑約為26、33、35nm的Bi<,2>Te<,3>熱電薄膜材料，差示掃描量熱儀(DSC)測試結(jié)果顯示，樣品的Bi<,2>Te<,3>斜方六面體相結(jié)構(gòu)在室溫至400℃溫度范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。上述樣品在235℃下退火3小時(shí)后，樣品的相結(jié)構(gòu)、擇優(yōu)