薄膜温差电材料的制备、表征及温差电性能测试系统的建立

论文摘要

在一定的温差下,可将热能转换为电能的材料称为温差电材料。其热电转换效率的大小主要取决于材料的性能,通常用无量纲因子ZT来表示。多年来,人们一直致力于研究高ZT值的温差电材料。最新的研究表明,可以通过减少材料的维数来提高温差电材料的ZT值。对于薄膜温差电材料电沉积的研究也引起了科学家的广泛兴趣,薄膜材料不仅适应了目前微电子系统的发展趋势,而且对电沉积纳米线的研究具有指导意义。本课题的主要研究内容包括:电沉积法制备Bi2-XTe3+X和(Bi1-XSbX)2Te3薄膜温差电材料,为BiTe基材料温差电性能的改进提供了一条新的探索途径。其次开发建立了温差电性能测试系统。该系统成功对纳米线阵列、薄膜温差电材料和块状温差电的性能进行测试。研究了N型Bi2-xTe3+x薄膜材料的Bi-Te共沉积机理、沉积电位对薄膜材料性能的影响。实验结果表明在-0.03V电位下电沉积制备的Bi2-xTe3+x的塞贝克系数达到最佳值。通过ESEM、XRD、EDS对电沉积制备的薄膜材料的形貌、结构和组成进行分析。温差电性能测试分析表明,Bi2-xTe3+x薄膜材料具有半导体特性,塞贝克系数不随温度变化。研究了P型(Bi1-xSbx)2Te3薄膜材料的Bi-Te—Sb共沉积机理,对温度和沉积电位等因素进行研究,确定最佳沉积条件。结合温差电性能测试,通过ESEM,XRD,XPS,EDS对薄膜温差电材料的形貌、结构和成分的分析,表明三元掺杂的(Bi1-xSbx)2Te3薄膜温差电材料的组成接近最佳配比,材料的性能也有很大的提高。由于传统的测试仪器不适用于纳米线阵列的性能测试,因此作者自行研制开发了温差电性能测试系统。此系统成功实现了对纳米线阵列的塞贝克系数测试及电阻的测试。此外,系统还适用于块状材料和薄膜材料的性能测试。计算表明系统的相对误差和相对平均偏差很小,其精度可以满足实验的需要。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 温差电材料概述
• 1.1.1 塞贝克效应
• 1.1.2 珀尔帖效应
• 1.1.3 汤姆逊效应
• 1.1.4 优值Z
• 1.2 温差电材料的发展现状
• 1.3 低维温差电材料的量子效应
• 1.3.1 德布罗意波长
• 1.3.2 低维材料的量子限制
• 1.4 温差电材料的发展趋势
• 1.5 薄膜温差电材料的应用前景
• 1.6 论文的主要工作
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验仪器设备
• 2.2 镀液组成及试样
• 2.3 电沉积体系及工艺
• 2.3.1 试样前处理
• 2.3.2 电沉积装置
• 2.4 电化学测试
• 2.4.1 电化学测试试样
• 2.4.2 电化学测试装置
• 2.4.3 测试溶液组成
• 2.4.4 阴极极化曲线的测试
• 2.4.5 循环伏安曲线的测试
• 2.5 组成及结构分析
• 2.5.1 X 射线衍射（XRD）分析
• 2.5.2 X 光电子能谱（XPS）分析
• 2.5.3 扫描电镜（SEM）分析
• 2.6 温差电性能分析
• 2-XTe_3+X薄膜温差电材料的制备'>第三章 N 型Bi_2-XTe_3+X薄膜温差电材料的制备
• 3.1 沉积过程分析
• 3.1.1 纯铋溶液的循环伏安曲线
• 3.1.2 纯碲溶液的循环伏安曲线
• 3.1.3 铋-碲镀液的循环伏安曲线
• 3.1.4 阴极极化曲线的测定
• 3.1.5 控电位沉积过程i-t 关系
• 3.2 电沉积工艺研究
• 3.3 结构和组成分析
• 2-XTe_3+X 薄膜厚度分析'>3.3.1 Bi_2-XTe_3+X薄膜厚度分析
• 2-XTe_3+X 薄膜的表面形貌分析'>3.3.2 Bi_2-XTe_3+X薄膜的表面形貌分析
• 2-XTe_3+X 薄膜的XRD 分析'>3.3.3 Bi_2-XTe_3+X 薄膜的XRD 分析
• 3.4 温差电性能研究
• 2-XTe_3+X 薄膜温差电性能与温度的关系'>3.4.1 Bi_2-XTe_3+X薄膜温差电性能与温度的关系
• 2-XTe_3+X 薄膜的电阻与温度的关系'>3.4.2 Bi_2-XTe_3+X薄膜的电阻与温度的关系
• 1-xSb_x)₂Te₃薄膜温差电材料的制备'>第四章 P 型(Bi_1-xSb_x)₂Te₃薄膜温差电材料的制备
• 4.1 沉积过程分析
• 4.1.1 纯铋溶液的循环伏安曲线
• 4.1.2 纯碲溶液循环伏安曲线
• 4.1.3 纯锑镀液的循环伏安曲线
• 4.1.4 铋-碲-锑三元镀液的循环伏安曲线
• 4.2 电沉积工艺研究
• 4.2.1 温度的影响
• 1-xSb_x)₂Te₃ 薄膜性能的影响'>4.2.2 不同电位对电沉积(Bi_1-xSb_x)₂Te₃薄膜性能的影响
• 4.3 结构和组成分析
• 1-xSb_x)₂Te₃ 薄膜的厚度分析'>4.3.1 (Bi_1-xSb_x)₂Te₃薄膜的厚度分析
• 1-xSb_x)₂Te₃ 薄膜的表面形貌分析'>4.3.2 (Bi_1-xSb_x)₂Te₃薄膜的表面形貌分析
• 1-xSb_x)₂Te₃ 薄膜的XPS 分析'>4.3.3 (Bi_1-xSb_x)₂Te₃ 薄膜的XPS 分析
• 1-xSb_x)₂Te₃ 薄膜的EDS 分析'>4.3.4 (Bi_1-xSb_x)₂Te₃ 薄膜的EDS 分析
• 1-xSb_x)₂Te₃ 薄膜的XRD 分析'>4.3.5 (Bi_1-xSb_x)₂Te₃ 薄膜的XRD 分析
• 4.4 温差电性能研究
• 1-xSb_x)₂Te₃ 薄膜的温差电性能与温度的关系'>4.4.1 (Bi_1-xSb_x)₂Te₃薄膜的温差电性能与温度的关系
• 1-xSb_x)₂Te₃ 薄膜材料电阻与温度的关系'>4.4.2 (Bi_1-xSb_x)₂Te₃薄膜材料电阻与温度的关系
• 第五章 温差电性能测试系统的设计及建立
• 5.1 测试的原理
• 5.2 卡具设计
• 5.2.1 卡具示意图
• 5.2.2 测试对象
• 5.2.3 温差的建立及测温装置
• 5.2.4 环境温度
• 5.2.5 Seebeck 电动势的测量
• 5.3 数据自动采集体系的设计
• 5.3.1 设计原理
• 5.3.2 数据自动采集的实现
• 5.4 测试系统的建立
• 5.4.1 数据转换模式
• 5.4.2 测试系统的构造
• 5.4.3 测试软件及工作界面
• 5.5 测试系统的性能分析
• 5.5.1 测试控温精度
• 5.5.2 Seebeck 电动势的测试精度
• 5.5.3 塞贝克系数的测试精度
• 5.5.4 系统的升降温曲线分析
• 5.6 温差电测试系统的应用
• 5.6.1 块状温差电材料的性能测试
• 5.6.2 薄膜温差电材料的性能测试
• 5.6.3 纳米线阵列温差电材料的性能测试
• 第六章 结论
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢