摻雜碲化鉍熱電薄膜的電化學(xué)制備和性能.pdf

1、碲化鉍(Bi2Te3)基化合物是當(dāng)前室溫下性能最好的商用熱電材料,對(duì)Bi2Te3基熱電材料進(jìn)行納米低維化和摻雜改性可以進(jìn)一步提高其熱電性能。電化學(xué)沉積技術(shù)是目前研究較多的熱電材料薄膜制備方法之一,具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、易于控制材料的化學(xué)成分、結(jié)晶組織和晶粒大小等優(yōu)點(diǎn)。本論文的主要目標(biāo)是采用電化學(xué)方法,通過(guò)元素?fù)诫s來(lái)制備結(jié)構(gòu)致密、不易開(kāi)裂,且具有一定熱電性能的摻雜Bi2Te3熱電薄膜。通過(guò)選擇摻雜Bi2Te3基熱電材料作為研究對(duì)象,采用循

2、環(huán)伏安技術(shù)對(duì)Bi-Te-P三元體系,Bi-Te-P-Ni和Bi-Te-P-Co四元體系在不銹鋼基片上的電化學(xué)行為進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。利用恒電位的電化學(xué)沉積方式,在不銹鋼基底上制備出不同元素?fù)诫s的Bi2Te3基薄膜材料,并研究薄膜組織結(jié)構(gòu)的變化以及薄膜結(jié)構(gòu)成分對(duì)材料熱電性能的影響。
　　 研究表明,室溫下沉積電位為-200 mV時(shí)得到的近化學(xué)計(jì)量比的單相磷(P)摻雜Bi2Te3薄膜為n型半導(dǎo)體,P原子進(jìn)入了Bi2Te3晶體中以范德華

3、力相結(jié)合的Te(1)-Te(1)原子層間,形成P原子夾層,薄膜霍爾系數(shù)為-1.76×10-2 m3/C,熱導(dǎo)率為0.47 W/(m·K),僅是塊體材料的三分之一。沉積電位為-230 mV時(shí),P摻雜Bi2Te3薄膜的最大電導(dǎo)率為345 S/cm,P原子的摻雜量為0.9％;而同樣沉積電位下得到的P-Ni共摻雜的Bi2Te3薄膜,其最大電導(dǎo)率高達(dá)1450 S/cm,P和Ni原子的共摻雜量達(dá)到4.01％;沉積電位為-70 mV時(shí),P-Co共摻雜

4、的Bi2Te3薄膜的最大電導(dǎo)率達(dá)757 S/cm,P和Ni原子共摻雜量為3.34％。因此,在室溫范圍內(nèi),多元摻雜能夠提高材料的電導(dǎo)率,是改善材料溫差電性能的有效方法。
　　 電沉積得到的P摻雜和P-Ni共摻雜的Bi2Te3薄膜,都具有單相Bi2Te3菱方結(jié)構(gòu),且通過(guò)改變沉積電位,可以實(shí)現(xiàn)P摻雜的Bi2Te3薄膜結(jié)晶取向的改變,但沉積電位對(duì)P-Ni共摻雜的Bi2Te3薄膜的結(jié)晶取向影響不大;而P-Co共摻雜的Bi2Te3薄膜雖然也