CN104505457B - 基于Al/CuO薄膜的热电材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Al/CuO薄膜的热电材料及其制备方法，该热电材料是先在玻璃衬底上沉积一层50～100nm厚的Al薄膜，再在Al薄膜上沉积一层200～400nm厚的CuO薄膜，然后在氮气氛围中退火，退火后的Al薄膜上涂抹Ag电极即可。本发明热电材料所需材料储量丰富，价格低廉，不含有毒元素，制备工艺简单，克服了以往热电材料所需材料储量少、含有有毒元素、制备工艺复杂等问题，且常温下短路电流、开路电压较大。

Description

基于Al/CuO薄膜的热电材料及其制备方法
技术领域
本发明属于新能源材料技术领域，特别涉及一种基于Al/CuO薄膜的热电材料及其制备方法。
背景技术
随着工业化的高速发展，能源与环境问题已经成为人类社会的重要问题之一。热电材料是一种直接实现热能和电能相互转化的功能材料，具有无污染、无噪音、可靠性高和尺寸灵活等优点，在废热回收利用、开发太阳能和地热等方面具有广阔的应用前景。
目前，研究比较成熟并已部分商业应用的热电材料多是金属合金半导体材料(Bi2Te3、PbTe、Si-Ge等)，此类材料具有较高的热电转换效率，但是其在高温(1000K)下使用时性能不稳定、易氧化，并且原材料价格昂贵，多含有对人体有害的重金属。与之相比，氧化热电材料具有成本经济，制备工艺简单，高温化学温度，无毒、无污染等优点，引起了人们的重视。氧化铜(CuO)薄膜是一种重要的半导体材料，其带隙约为1.2～1.9eV，其具有来源丰富、价格低廉、无污染、热稳定性高、化学稳定性好等优势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述热电材料存在的问题，提供一种基于Al/CuO薄膜的热电材料及其制备方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案是该基于Al/CuO薄膜的热电材料由下述步骤制备而成：
1、利用热蒸发法在玻璃衬底上沉积一层厚度为50～100nm的Al薄膜。
2、利用磁控溅射法在Al薄膜上沉积一层厚度为200～400nm的CuO薄膜，CuO薄膜的面积小于Al薄膜面积，得到Al/CuO薄膜材料。
3、将Al/CuO薄膜材料在氮气气氛中550～580℃退火30～90分钟，冷却至常温，在未沉积CuO薄膜的Al薄膜上涂抹Ag电极，得到基于Al/CuO薄膜的热电材料。
上述步骤1中，优选利用热蒸发法在玻璃衬底上沉积一层厚度为60nm的Al薄膜，热蒸发法的系统本底真空为5×10-3Pa。
上述步骤2中，优选利用磁控溅射法在Al薄膜上沉积一层厚度为320nm的CuO薄膜，CuO薄膜的面积小于Al薄膜面积，磁控溅射法的系统本底真空为5×10-3Pa，氩气流量为20sccm，溅射压强为0.4Pa、电压为5kV、功率为30W，得到Al/CuO薄膜材料。
上述步骤3中，优选将Al/CuO薄膜材料在氮气气氛中580℃退火60分钟。
本发明具有的优点和有益效果是：制备本发明热电材料所需材料储量丰富，价格低廉，不含有毒元素，工艺简单成熟，能够有效解决现有热电材料性能不稳定、易氧化，原材料价格昂贵，含有重金属，制备工艺复杂等问题，且所得热电材料在常温下短路电流、开路电压较大。
附图说明
图1是Al/CuO薄膜材料的结构示意图。图中：1为玻璃衬底，2为Al薄膜，3为CuO薄膜。
图2是基于Al/CuO薄膜的热电材料的开路电压、短路电流测量示意图。图中：4为玻璃衬底，5为Al薄膜，6为CuO薄膜，7为Ag电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1
1、将50mm×50mm的玻璃片衬底依次在丙酮、乙醇中超声清洗10分钟，然后依次用70℃的RCA1、RCA2溶液浸泡20分钟，再用去离子水清洗干净，最后用氮气吹干。如图1所示，将清洗干净的玻璃衬底放入热蒸发设备中，利用热蒸发法在玻璃衬底上沉积一层厚度为60nm的铝薄膜，热蒸发系统本底真空为5×10-3Pa。
2、将沉积有Al薄膜的玻璃衬底加盖掩模板放入磁控溅射反应室中，以氩气为溅射气氛通入反应室，控制氩气流量为20sccm，在溅射压强为0.4Pa、电压为5kV、功率为30W下，以纯氧化铜为靶材，在带有掩模板的Al薄膜表面沉积一层厚度为320nm的CuO薄膜，CuO薄膜的大小为10mm×40mm，得到Al/CuO薄膜材料。
3、将Al/CuO薄膜材料在氮气气氛中580℃退火60分钟，冷却至常温，用导电银浆在未沉积CuO薄膜的Al薄膜上涂抹Ag电极，Ag电极大小为1mm×36mm，控制Ag电极与CuO薄膜不接触，得到基于Al/CuO薄膜的热电材料。
如图2所示，经测试，该热电材料的CuO薄膜和Al薄膜之间有横向电流，在绝对温度293K时，其开路电压与短路电流分别是138nA、80mV。
实施例2
本实施例中，CuO薄膜的沉积厚度为220nm，其他步骤与实施例1相同，得到基于Al/CuO薄膜的热电材料。经测试，该热电材料的CuO薄膜和Al薄膜之间有横向电流，在绝对温度293K时，其开路电压与短路电流分别是10nA、3.62mV。
实施例3
本实施例中，将Al/CuO薄膜材料在氮气气氛中580℃退火30分钟，其他步骤与实施例2相同，得到基于Al/CuO薄膜的热电材料。经测试，该热电材料的CuO薄膜和Al薄膜之间有横向电流，在绝对温度293K时，其开路电压与短路电流分别是90nA、23.20mV。
实施例4
本实施例中，将Al/CuO薄膜材料在氮气气氛中580℃退火90分钟，其他步骤与实施例2相同，得到基于Al/CuO薄膜的热电材料。经测试，该热电材料的CuO薄膜和Al薄膜之间有横向电流，在绝对温度293K时，其开路电压与短路电流分别是41nA、12.15mV。
实施例5
本实施例中，将Al/CuO薄膜材料在氮气气氛中550℃退火60分钟，其他步骤与实施例2相同，得到基于Al/CuO薄膜的热电材料。经测试，该热电材料的CuO薄膜和Al薄膜之间有横向电流，在绝对温度293K时，其开路电压与短路电流分别是60A、16.58mV。
实施例6
本实施例中，Al薄膜的沉积厚度为50nm、CuO薄膜的沉积厚度为200nm，其他步骤与实施例1相同，得到基于Al/CuO薄膜的热电材料。经测试，该热电材料的CuO薄膜和Al薄膜之间有横向电流，在绝对温度293K时，其开路电压与短路电流分别是72nA、17.35mV。
实施例7
本实施例中，Al薄膜的沉积厚度为100nm、CuO薄膜的沉积厚度为400nm，其他步骤与实施例1相同，得到基于Al/CuO薄膜的热电材料。经测试，该热电材料的CuO薄膜和Al薄膜之间有横向电流，在绝对温度293K时，其开路电压与短路电流分别是121nA、58.27mV。

Claims (4)

1.一种基于Al/CuO薄膜的热电材料，其特征在于该热电材料由下述方法制备得到：
(1)利用热蒸发法在玻璃衬底上沉积一层厚度为50～100nm的Al薄膜；
(2)利用磁控溅射法在Al薄膜上沉积一层厚度为200～400nm的CuO薄膜，CuO薄膜的面积小于Al薄膜面积，得到Al/CuO薄膜材料；
(3)将Al/CuO薄膜材料在氮气气氛中550～580℃退火30～90分钟，冷却至常温，在未沉积CuO薄膜的Al薄膜上涂抹Ag电极，得到基于Al/CuO薄膜的热电材料。
2.根据权利要求1所述的基于Al/CuO薄膜的热电材料，其特征在于：所述的步骤(1)中，利用热蒸发法在玻璃衬底上沉积一层厚度为60nm的Al薄膜，热蒸发法的系统本底真空为5×10-3Pa。
3.根据权利要求2所述的基于Al/CuO薄膜的热电材料，其特征在于：所述的步骤(2)中，利用磁控溅射法在Al薄膜上沉积一层厚度为320nm的CuO薄膜，CuO薄膜的面积小于Al薄膜面积，磁控溅射法的系统本底真空为5×10-3Pa，氩气流量为20sccm，溅射压强为0.4Pa、电压为5kV、功率为30W，得到Al/CuO薄膜材料。
4.根据权利要求3所述的基于Al/CuO薄膜的热电材料，其特征在于：所述的步骤(3)中，将Al/CuO薄膜材料在氮气气氛中580℃退火60分钟。
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