CN110527977A - 一种强织构硒化锡宏观热电薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强织构硒化锡宏观热电薄膜的制备方法，属于薄膜材料制备技术领域。该方法采用化学气相沉积法，以商用硒化锡颗粒为原料，使用剥离的氟晶云母片为衬底，以氩气为载气，在低压无氧的环境下一步制备出连续致密的硒化锡薄膜。薄膜呈(400)强织构，晶粒内部保持硒化锡晶体的面内取向。在550K的温度下，薄膜的热电优值ZT为0.15。本发明简单易操作、对设备和制备环境要求低、制备周期短，是一种大规模制备高质量柔性硒化锡薄膜的方法。

Description

一种强织构硒化锡宏观热电薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种强织构硒化锡宏观热电薄膜的制备方法，属于热电材料制备技术领域。
背景技术
热电材料实现热能和电能之间的直接转换，可以被应用于温差发电和热电制冷器件中。基于热电材料的发电和制冷器件具有体积小、无运动部件和长期稳定等优点。热电优值(ZT)：ZT＝S2σT/κ是评价热电性能的主要参数，其中S是塞贝克系数，σ是电导率，T是绝对温度，κ是电导率，功率因子(PF＝S2σ)用于评价热电材料的电学性质。理想的热电材料应同时具备高功率因子和低热导率。
硒化锡是本征热电优值最高的材料，具有低毒、廉价、组成元素高丰度等特点，在热电研究领域受到广泛关注。单晶硒化锡的生长成本高昂、生长条件苛刻、质硬，极大限制了其应用。随着柔性集成器件的发展，开发高性能硒化锡薄膜取代块体的意义重大。硒化锡晶体具有二维层状结构，结构上表现出极强的各向异性，硒化锡的热电性能也呈各向异性：面内热电性能高于面外。因此制备具有面内强织构的硒化锡薄膜能有效保持其面内的优异热电性能。目前，硒化锡薄膜的制备方法有热蒸镀法和旋涂退火法。Burton等报道热蒸镀的非面内硒化锡薄膜导电性极差，在500K时ZT～0.055，Heo等报道多次旋涂退火的面内硒化锡薄膜热电性能优异(峰值PF～4.27μW·cm-2·K-1)，但制备步骤繁琐。
发明内容
本发明的目的是提供一种强织构硒化锡宏观热电薄膜的制备方法，使该方法不仅制备工艺简单，成本低廉，且所制备的硒化锡热电薄膜呈面内强织构，具有良好的热电性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种强织构硒化锡宏观热电薄膜的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
1)以硒化锡粉末为原料，以氟晶云母片为衬底；
2)将所述硒化锡粉末置于管式炉石英管中心，所述衬底沿气流方向置于硒化锡粉末的下游位置；将反应体系密封后，反复抽真空和通氩气以除去体系中的氧气；
3)通入氩气作为保护气和载气，利用真空泵保持气压为30-50Pa，在温度为400-500℃的条件下进行化学气相沉积反应，反应时间为15-60min，即制备得到所述强织构硒化锡热电薄膜。
优选地，上述技术方案的步骤1)中，所述衬底放置在距离硒化锡粉末下游的10～16cm的位置。步骤3)中，在化学气相沉积的过程中，通入的氩气速率为70-150mL/min。
本发明的技术特征还在于：步骤2)中所述反复抽真空和通氩气的方法为：将硒化锡粉末和衬底放置完成后，密封石英管，打开真空泵，抽真空至气压为1-10Pa，随后关闭出气阀，之后以300-2000mL/min的速度通入氩气，当石英管恢复常压后开始抽真空，反复进行抽气/通气三次。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：①本发明提供的一种硒化锡薄膜制备方法，采用一步法直接获得了具有强织构的硒化锡宏观热电薄膜，该方法简单易操作、对设备和制备环境要求低、制备周期短，有效克服了现有技术中采用热蒸镀法和旋涂退火法所带来的工艺繁琐的缺陷，对制备高质量二维结构的宏观半导体薄膜具有指导意义。②本发明制备的硒化锡热电薄膜呈面内强织构，表现出良好的热电性能，在550K时的热电优值ZT可达0.15。
附图说明
图1：化学气相沉积装置示意图。
图1中：1-管式炉；2-石英管；3-真空泵；4-电阻真空计；5-进气管；6-出气管；7-进气阀；8-出气阀；9-石英板；10-硒化锡粉末；11-氟晶云母片。
图2是本发明制备的强织构硒化锡薄膜的截面结构示意图。
图3是本发明制备的硒化锡薄膜的X射线衍射结果。
图4是本发明制备的硒化锡薄膜的扫描电子显微镜图片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
本发明提供的一种强织构硒化锡宏观热电薄膜的制备方法，其具体包括如下步骤：
1)以硒化锡粉末为原料，以氟晶云母片11为衬底；
2)将所述硒化锡粉末10置于管式炉石英管中心，所述氟晶云母片沿气流方向置于硒化锡粉末的下游位置，优选在距离硒化锡粉末下游的10～16cm的位置；然后将反应体系密封后，反复抽真空和通氩气以除去体系中的氧气；反复抽真空和通氩气的方法一般为：将硒化锡粉末和氟晶云母片放置完成后，密封石英管，打开真空泵，抽真空至气压为1-10Pa，随后关闭出气阀，之后以300-2000mL/min的速度通入氩气，当石英管恢复常压后开始抽真空，反复进行抽气/通气三次或多次，直到体系中的氧气除尽为目的。
3)通入氩气作为保护气和载气，通入的氩气速率一般为70-150mL/min。利用真空泵保持反应体系中的气压为30-50Pa，在温度为400-500℃的条件下进行化学气相沉积反应，反应时间一般为15-60min，即制备得到所述强织构硒化锡热电薄膜。
下面举出几个具体的实施例，以使本发明的目的和技术方案更加清楚明白。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
实施例1：
1)将商用硒化锡颗粒研磨10min，称量0.1mg的硒化锡粉末10放置在石英板9上；
2)用手术刀片将氟晶云母片(10×10×0.2mm3)剥离为厚度0.02-0.1mm的薄片，使其暴露新鲜表面，放置氟晶云母片11在石英板上硒化锡粉末下游距离d＝13cm的位置；
3)将盛有硒化锡粉末和氟晶云母片的石英板送入管式炉1的石英管2内，确保硒化锡粉末在加热炉中央，衬底在靠近出气端的方向，如图1所示；
4)用法兰将石英管2两端密封后，打开真空泵3，抽至气压为10Pa，随后关闭出气阀8，以300mL/min的速度通入氩气，当石英管恢复常压后打开真空泵和出气阀，关闭氩气，反复进行抽气/通气三次，以充分除去体系中的氧气；
5)完成除氧操作后，在抽真空的同时通入速度为100mL/min的氩气，体系气压为40Pa。
6)管式炉以30℃/min的速度加热至目标温度T＝450℃，温度到达450℃后开始计算化学气相沉积时间，保温t＝30min完成薄膜沉积。生长完成后，冷却得到以氟晶云母片为衬底的强织构硒化锡薄膜，其膜厚度为75nm。
在所述步骤1)中硒化锡粉末同时作为薄膜生长的Sn源和Se源。在所述步骤2)中氟晶云母片原子级平坦的清洁表面使得制备的硒化锡薄膜呈现强织构的特性。
本发明制备的硒化锡薄膜尺寸不限于1cm2，均匀沉积长度为4cm，当石英管的直径为4.5cm，石英板的宽度为4cm时，可获得的最大均匀沉积面积为16cm2，本领域技术人员可根据需要选用不同尺寸的氟晶云母片来进行沉积。
化学气相沉积法一步制得的面内强织构硒化锡薄膜是具有如图2所示的二维层状结构的多晶薄膜，X射线衍射结果(图3)证明了其面内强织构的特性，其表面形貌如图4所示。该薄膜具有较高的电导率和塞贝克系数以及较低的热导率，在550K温度下的热电优值ZT为0.15。
其它操作相同的情况下，实施例沉积参数表如下：
实施例 1 2 3 4 5
反应温度T(℃) 450 400 500 450 450
反应时间t(min) 30 30 30 15 60
衬底与粉末距离d(cm) 12 10 16 11 13
氩气流量(mL/min) 100 150 70 100 100
气压P(Pa) 40 50 30 43 43
膜厚度(nm) 100 32 263 59 190
电导率σ(S/cm) 1.68 0.30 0.53 1.32 2.07

Claims (4)

1.一种强织构硒化锡宏观热电薄膜的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
1)以硒化锡粉末为原料，以氟晶云母片为衬底；
2)将所述硒化锡粉末置于管式炉石英管中心，所述衬底沿气流方向置于硒化锡粉末的下游位置；将反应体系密封后，反复抽真空和通氩气以除去体系中的氧气；
3)通入氩气作为保护气和载气，利用真空泵保持反应体系的气压为30-50Pa，在温度为400-500℃的条件下进行化学气相沉积反应，反应时间为15-60min，即制备得到所述强织构硒化锡热电薄膜。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述衬底放置在距离硒化锡粉末下游的10～16cm的位置。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，在化学气相沉积的过程中，通入的氩气速率为70-150mL/min。
4.如权利要求1、2或3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述反复抽真空和通氩气的方法为：将硒化锡粉末和衬底放置完成后，密封石英管，打开真空泵，抽真空至气压为1-10Pa，随后关闭出气阀，之后以300-2000mL/min的速度通入氩气，当石英管恢复常压后开始抽真空，反复进行抽气/通气三次。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113354408A (zh) * 2021-07-14 2021-09-07 陕西科技大学 一种柔性BiFe0.95Mn0.05O3薄膜及其制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103482589A (zh) * 2013-09-29 2014-01-01 国家纳米科学中心 一种一维硒化锡纳米阵列、其制备方法和应用
CN104962990A (zh) * 2015-07-23 2015-10-07 华中科技大学 一种二维纳米SnSe2晶体材料的制备方法
CN105752947A (zh) * 2016-01-25 2016-07-13 广东工业大学 一种制备硒化锡纳米带和硒化锡纳米线的方法
US20170330748A1 (en) * 2016-05-13 2017-11-16 Nanoco Technologies, Ltd. Chemical vapor deposition method for fabricating two-dimensional materials
CN108103580A (zh) * 2017-12-27 2018-06-01 广东工业大学 一种二硫硒化锡单晶半导体材料的制备方法
CN108511324A (zh) * 2018-04-04 2018-09-07 南京大学 一种γ相硒化铟纳米片的外延生长方法
KR20180113079A (ko) * 2017-04-05 2018-10-15 전남대학교산학협력단 기상 증착법을 이용한 황화주석 박막 및 이의 형성방법

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103482589A (zh) * 2013-09-29 2014-01-01 国家纳米科学中心 一种一维硒化锡纳米阵列、其制备方法和应用
CN104962990A (zh) * 2015-07-23 2015-10-07 华中科技大学 一种二维纳米SnSe2晶体材料的制备方法
CN105752947A (zh) * 2016-01-25 2016-07-13 广东工业大学 一种制备硒化锡纳米带和硒化锡纳米线的方法
US20170330748A1 (en) * 2016-05-13 2017-11-16 Nanoco Technologies, Ltd. Chemical vapor deposition method for fabricating two-dimensional materials
KR20180113079A (ko) * 2017-04-05 2018-10-15 전남대학교산학협력단 기상 증착법을 이용한 황화주석 박막 및 이의 형성방법
CN108103580A (zh) * 2017-12-27 2018-06-01 广东工业大学 一种二硫硒化锡单晶半导体材料的制备方法
CN108511324A (zh) * 2018-04-04 2018-09-07 南京大学 一种γ相硒化铟纳米片的外延生长方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113354408A (zh) * 2021-07-14 2021-09-07 陕西科技大学 一种柔性BiFe0.95Mn0.05O3薄膜及其制备方法

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