bi2te3系纳米热电材料的制备及性能分析word格式论文.docx

摘要Bi2Te3系热电材料由于其在微电子、光电子等高技术领域有潜在的应用前景，从而吸引了人们的广泛关注。低维Bi2Te3系材料由于具有特殊的量子限制效应, 已成为提高热电性能的有效途径。近年来，研究者非常重视Bi2Te3系热电薄膜的制备及性能研究，并做了许多相关的研究工作。本文通过对Bi2Te3系热电材料的国内外研究现状、发展趋势进行分析，提出了本文的研究目的、意义及研究内容，研制了一套真空电弧等离子体制备纳米粉末和瞬间蒸发法沉积薄膜材料的复合装置。以单质Bi、Te和Sb粉末为原材料，采用真空电弧等离子体法分别合成了Bi2Te3，Sb2Te3和(BixSb1-x)2Te3纳米粉末。通过XRD、TEM、EDAX等分析检测手段对粉末材料的微观结构和化学组成进行了分析。研究了不同原子比对合成Bi2Te3系纳米粉末的影响，考察了电弧电流和氩气压力对制备Bi2Te3系纳米粉末的晶粒尺寸和产率的影响，随着电弧电流或氩气气压的增加，粉末的晶粒尺寸和产率都逐渐增大，但产率的增加并不明显。采用真空熔炼及瞬间蒸发法制备了P型Bi0.5Sb1.5Te3和N型Bi2Te2.85Se0.15薄膜, 用XRD、FE-SEM 和EDAX分析了薄膜的微观结构及化学组成。研究了薄膜的电阻率与膜厚和温度的关系，随着膜厚和温度的增加，电阻率减小；电阻率与薄膜厚度的倒数、温度都呈近似的直线关系；考察了薄膜的Seebeck系数与膜厚的关系，随着薄膜厚度的增加，Seebeck系数增加；在373K到573K的温度范围内研究了退火温度对厚度为800nm 的P型Bi0.5Sb1.5Te3和N型Bi2Te2.85Se0.15薄膜的电阻率和Seebeck 系数的影响，退火温度从373K增加到473K，薄膜的电阻率和Seebeck 系数也随之增加；当退火温度为473K时，P 型Bi0.5Sb1.5Te3薄膜的热电功率因子值最大，其值为13μW/cmK2，N型Bi2Te2.85Se0.15薄膜的热电功率因子最大值为14.2μW/cmK2。通过机械合金化及瞬间蒸发法制备了N型Bi2(Te0.95Se0.05)3薄膜，研究了薄膜厚度与电阻率、Seebeck系数和电输运性能的关系。在373-573K的温度范围内考察了退火工艺对厚度为800nm的N型Bi2(Te0.95Se0.05)3薄膜的热电功率因子的影响，当退火温度为473K时，薄膜热电功率因子的最大值为12μW/cmK2。研究了机械合金化及瞬间蒸发法制备Ag掺杂Bi2(Te0.95Se0.05)3和Sn掺杂(Bi1-xSnx)2(Te0.95Se0.05)3薄膜，研究了掺杂浓度对Seebeck系数和电阻率的影响。Ag掺杂浓度为0.2wt%时，薄膜的热电功率因子的最大值为16.1μW/cmK2；Sn 的掺杂浓度为0.003 时, Seebeck 系数和电阻率的值最大, 其值分别为-196μV/K和3.0mΩcm，薄膜的热电功率因子最大值12.8μW/cmK2。采用瞬间蒸发法在加热到453K的玻璃基片上沉积了厚度在40-160nm范围的多晶Bi薄膜，通过XRD和FE-SEM检测手段分析了薄膜的微观结构，研究了薄膜厚度对电阻率和Seebeck系数的影响。在300K考察了薄膜厚度对霍尔系数, 电子浓度及迁移率的影响,结果表明薄膜的电输运性能随薄膜厚度的变化而波动,这主要是由于纳米薄膜的量子尺寸效应引起的。关键词：Bi2Te3系热电材料; 纳米粉末; 真空电弧等离子体蒸发; 瞬间蒸发法; 热电薄膜; 热电性能;掺杂;电输运性能AbstractBi2Te3-basedthermoelectricmaterialshaveattractedmoreandmoreattentionfortheir potentialapplicationinmicroelectronics,optoelectronicsandotherhigh-techfields.Low dimensionalBi2Te3-basedmaterials,whichshowspecialquantumconfinementeffectand transportproperties,havebeenprovedtobeaneffectiveroutetoimprovethermoelectric properties.PreparationandthermoelectricpropertiesofBi2Te3-basedthinfilmshavebeen attachedtomuchimportancebymanyresearchersinrecentyears.Basedonadetailed reviewontheresearchanddevelopmenttendency