CN106893977B - 一种高效热电转换特性的ZnSb基薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高效热电转换特性的ZnSb基薄膜及其制备方法，方法包括步骤：采用等离子束，对原ZnSb基薄膜进行轰击，通过控制等离子束轰击参量，得到高效热电转换特性的ZnSb基薄膜。本发明采用等离子束轰击薄膜，代替传统的热处理工艺，不仅能够保证薄膜关键元素的化学成分，同时可以对ZnSb基薄膜的微结构进行控制，通过有效的薄膜结构优化，以此提高ZnSb基薄膜的热电特性。

Description

一种高效热电转换特性的ZnSb基薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及热电功能材料领域，尤其涉及一种高效热电转换特性的ZnSb基薄膜及其制备方法。
背景技术
随着人类生存和发展，能源消耗快速增长，且伴随传统能源使用带来的环境污染问题形势日益严峻。利用可再生能源和工业废热对节能和环保具有极其重要的现实意义，绿色新能源技术的开发已受到世界各国的广泛关注和重视。热电材料作为一种新能源材料，它可以将热能和电能直接相互转化，不用机械部件运转和介质参与，不需要发生化学反应，和太阳能、水能、风能等二次能源一样，对环境无污染，因而基于该材料制备的温差器件在使用中有许多优点，比如结构简单、无摩擦损耗、无介质泄漏、无噪声、使用寿命长、性能稳定等。已在军事探测、微电子温控、医疗制冷等领域得到应用。热电材料已逐渐成为材料科学的研究热点之一。因此，研究和应用热电材料对未来能源工程、绿色环保、和制冷技术工程方面有着重要意义。
热电材料的性能主要由一个无量纲常量ZT表征，其中ZT= S2×σ×T÷k，其中S为塞贝克系数，σ为电导率，T为绝对温度（即材料所处的温度，不同温度条件下S，σ，K值都不相同），k为热导率。锑化锌基材料是中温区热电材料，工作温度范围为300～670K。其具有高的塞贝克系数，高的电导率和低热导率，展现了其在中温区广阔的应用前景，使其备受关注，是人们研究用来回收利用工业废气和汽车废热的发电材料之一。
近年来研究发现，热电材料薄膜化有利于提高热电材料的热电特性，主要原因在于：一、可通过维数的降低，形成界面散射效应从而降低材料的热导率，增大材料的热电优值，当薄膜厚度在纳米量级时还能产生量子禁闭效应提高材料的功率因子；二、薄膜化可提高其响应速度、能量密度和小型静态局域化的能力。除此之外，薄膜化的热电材料在转化效率方面和成本方面，都有很大的优势。
ZnSb基热电材料，热电性能与目前商用的热电材料相近，但相比于传统的热电材料而言，其稀有金属材料含量较少，在温度较高时具有最优的热电性能，因此被认为是最具有前景的中温区热电材料之一。将ZnSb基热电材料低维薄膜化以提高其热电特性，是目前该领域的研究热点之一。虽然相关的研究有了一定的进展，但ZnSb基薄膜的热电性能却没有得到很大的提高，主要的原因在于各种制备技术中存在的不足：如在制备ZnSb基薄膜时，都需要进行中高温的热处理技术，容易造成材料中活泼金属Zn的大量缺失，难以实现高性能的高价态的ZnSb基热电薄膜的制备；而薄膜的微结构是决定薄膜热电输运特性的最重要因素，如何调控微结构，达到大幅度提高薄膜热电特性的目的，是急需解决的技术难题。因此，如何解决热处理工艺中存在的技术问题，实现高热电性能的ZnSb基薄膜的制备，同时减低制造成本以及简化制造技术，是实现热电材料大规模使用的关键所在。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高效热电转换特性的ZnSb基薄膜及其制备方法，旨在解决现有ZnSb基薄膜热电特性较低的问题。
本发明的技术方案如下：
一种高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备方法，其中， 包括步骤：采用等离子束，对原ZnSb基薄膜进行轰击，通过控制等离子束轰击参量，得到高效热电转换特性的ZnSb基薄膜。
所述的高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备方法，其中，具体包括步骤：
A、将原ZnSb基薄膜，固定于等离子束轰击系统的轰击工位架上；
B、将等离子束轰击系统本底真空度抽至1.0×10-3 Pa以下，通入惰性气体作为工作气体；
C、采用等离子束，对原ZnSb基薄膜进行轰击，通过控制等离子束轰击参量，得到高效热电转换特性的ZnSb基薄膜。
所述的高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备方法，其中，所述等离子束为惰性气体组成的等离子束。
所述的高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备方法，其中，步骤B中，所述惰性气体为氩气或氮气。
所述的高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备方法，其中，所述等离子束轰击参量包括等离子束能量、加速极电压、束流和轰击时间中的一种或多种。
所述的高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备方法，其中，控制等离子束能量为0.1KeV～0.8KeV，加速极电压为150V ~250V，束流为0.1mA～1mA，轰击时间为1min~60min。
所述的高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备方法，其中，控制等离子束能量为0.5KeV，加速极电压为150V，束流为0.5mA，轰击时间为5min。
一种高效热电转换特性的ZnSb基薄膜，其中，采用如上任一所述的高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备方法制备而成。
有益效果：本发明采用等离子束轰击薄膜，代替传统的热处理工艺，不仅能够保证薄膜关键元素的化学成分，同时可以对ZnSb基薄膜的微结构进行控制，通过有效的薄膜结构优化，以此提高ZnSb基薄膜的热电特性。
附图说明
图1为本发明的高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备方法较佳实施例的流程图。
图2为本发明的高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备过程示意图。
图3是本发明实施例1制得的ZnSb基薄膜的热电性能测试结果示意图。
具体实施方式
本发明提供一种高效热电转换特性的ZnSb基薄膜及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的一种高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备方法较佳实施例，其包括步骤：采用等离子束，对原ZnSb基薄膜进行轰击，通过控制等离子束轰击参量，得到高效热电转换特性的ZnSb基薄膜。本发明采用等离子束轰击原ZnSb基薄膜代替传统的薄膜热处理工艺，可避免Zn在中高温退火过程中的流失，不影响薄膜的成分，保证了薄膜具有稳定的化学成分。另外，采用等离子束轰击原ZnSb基薄膜，可控性强，可有效的控制薄膜表面微结构，以此减少薄膜表面缺陷，提高薄膜表面热电输运特性。
具体来说，本发明的高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备方法又一较佳实施例，如图1所示，具体包括步骤：
S1、将原ZnSb基薄，固定于等离子束轰击系统的轰击工位架上；
其中，所述等离子束轰击系统为多工位等离子束轰击系统。
S2、将等离子束轰击系统本底真空度抽至1.0×10-3 Pa以下，通入惰性气体作为工作气体；
其中，所述惰性气体为氩气或氮气等。本发明采用高纯惰性气体作为工作气体。
S3、采用等离子束，对原ZnSb基薄膜进行轰击，通过控制等离子束轰击参量，得到高效热电转换特性的ZnSb基薄膜。
其中，所述等离子束为惰性气体组成的等离子束，所述惰性气体为氩气或氮气或其它惰性气体或其混合物。
本发明可通过调整等离子束的类型、等离子束能量、加速极电压、束流和时间等轰击参量，制备出各种性能需求的ZnSb基薄膜。即本发明采用等离子束，对原ZnSb基薄膜进行轰击时，可通过调整等离子束能量、加速极电压、束流和轰击时间等轰击参量中的一种或多种，制备出各种性能需求的ZnSb基薄膜。优选地，本发明采用等离子束，对原ZnSb基薄膜进行轰击时，控制等离子束能量为0.1KeV～0.8KeV，加速极电压为150V ~250V，束流为0.1mA～1mA，等离子束轰击时间为1min~60min。更优选地，控制等离子束能量为0.5KeV，加速极电压为150V，束流为0.5mA，轰击时间为5min，以最大化提高ZnSb基薄膜的热电转换特性。
进一步地，请结合图2，图2为本发明的高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备过程示意图，如图所示，首先，将原ZnSb基薄膜样品1，固定在等离子束轰击系统的轰击工位架2上，通过样品架旋转轴4调整角度和选取其它样品架位置3的样品；等离子束轰击系统采用真空泵将系统腔体进行抽真空，真空度抽至1×10-3Pa以下，通入一定流量的高纯惰性气体（氩气，氮气等），工作压强控制在0.1Pa以下；采用离子源5发出的能量低于0.8KeV的等离子束6对原ZnSb基薄膜样品1表面进行轰击，其中等离子束轰击参数包括等离子体能量0.1KeV～0.8KeV，加速极电压150V~250V，束流0.1mA～1mA，轰击时间为1min~60min。
本发明的一种高效热电转换特性的ZnSb基薄膜，其中，采用如上任一所述的高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备方法制备而成。
下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
采用磁控共溅射技术制备ZnSb基薄膜，首先，将纯度为99.99 %的Sb和Zn靶材分别固定在溅射系统的二个工位靶材架上；以BK7光学玻璃作为基底，将BK7光学玻璃放置在容器中，采用丙酮、酒精和去离子水依次进行超声波清洗；溅射系统本底真空抽至6.0×10- 4Pa，通入流量为6sccm高纯Ar气，工作压强控制在6.0×10-2 Pa；增加磁控溅射系统功率，使Sb和Zn沉积在BK7光学玻璃上，共溅射沉积时间为30min。
沉积完成后，将ZnSb基薄膜样品固定在等离子束轰击系统的轰击工位架上；等离子束轰击系统真空度抽至6.0×10-4 Pa，通入流量10 sccm高纯氩气，工作压强保持在6.0×10-2 Pa；采用离子源能量为0.5KeV的等离子束对ZnSb基薄膜样品表面进行轰击，其中加速极电压为150V，束流为0.5mA，轰击时间为5min，得到高效热电转换特性的ZnSb基薄膜。
图3是本发明实施例1制得的ZnSb基薄膜的热电性能测试结果示意图，由图3可知，采用等离子束轰击原ZnSb基薄膜后，新ZnSb基薄膜的热电特性得到了明显的提高。
实施例2
与实施例1不同之处在于，将等离子束置换为氮气。
实施例3
与实施例1不同之处在于，将等离子束能量改变为0.1KeV。
实施例4
与实施例1不同之处在于，将等离子束轰击时间改变为1min。
综上所述，本发明的一种高效热电转换特性的ZnSb基薄膜及其制备方法，本发明采用等离子束轰击薄膜，代替传统的热处理工艺，不仅能够保证薄膜关键元素的化学成分，同时可以对ZnSb基薄膜的微结构进行控制，通过有效的薄膜结构优化，以此提高ZnSb基薄膜的热电特性。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备方法，其特征在于，包括步骤：采用等离子束，对原ZnSb基薄膜进行轰击，通过控制等离子束轰击参量，得到高效热电转换特性的ZnSb基薄膜；
所述等离子束轰击参量包括等离子束能量、加速极电压、束流和轰击时间中的一种或多种，其中控制等离子束能量为0.1KeV～0.8KeV，加速极电压为150V ~250V，束流为0.1mA～1mA，轰击时间为1min~60min；
所述等离子束为惰性气体组成的等离子束；
采用等离子束轰击原ZnSb基薄膜代替传统的薄膜热处理工艺，可避免Zn在中高温退火过程中的流失，不影响薄膜的成分，保证了薄膜具有稳定的化学成分。
2.根据权利要求1所述的高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备方法，其特征在于，具体包括步骤：
A、将原ZnSb基薄膜，固定于等离子束轰击系统的轰击工位架上；
B、将等离子束轰击系统本底真空度抽至1.0×10-3 Pa以下，通入惰性气体作为工作气体；
C、采用等离子束，对原ZnSb基薄膜进行轰击，通过控制等离子束轰击参量，得到高效热电转换特性的ZnSb基薄膜。
3.根据权利要求1所述的高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备方法，其特征在于，步骤B中，所述惰性气体为氩气或氮气。
4.根据权利要求1所述的高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备方法，其特征在于，控制等离子束能量为0.5KeV，加速极电压为150V，束流为0.5mA，轰击时间为5min。
5.一种高效热电转换特性的ZnSb基薄膜，其特征在于，采用如权利要求1~4任一所述的高效热电转换特性的ZnSb基薄膜的制备方法制备而成。
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