CN113122809B - 采用真空蒸发镀膜可控制备非晶柔性Bi-Te-Se膜的方法 - Google Patents

采用真空蒸发镀膜可控制备非晶柔性Bi-Te-Se膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用真空蒸发镀膜可控制备非晶柔性Bi‑Te‑Se膜的方法,步骤如下:(1)将质量百分比纯度为99.99%的Bi2Te2.7Se0.3粉末在3~5MPa压力下压制成块体;(2)柔性基底在无水乙醇和去离子水中分别超声清洗5~10min后取出,用氮气吹干;(3)将0.1~0.2g的Bi2Te2.7Se0.3材料压制成的块体放入真空镀膜机的真空室钨舟中,调节基底与钨舟的距离d=8~11cm;(4)向真空室内充入2~8min氮气后停止,随后抽真空;(5)在PID控制器上设定沉积速率40~75nm/min,沉积时间40~60min;(6)开启交流电源,调节输出电流170~185A;打开样品台自转25~30r/min;在基底上沉积制备非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜;(7)制备完毕。本发明方法简单、新颖,生产环境、反应条件宽松,具有非常显著的实用价值和经济效益。

Description

采用真空蒸发镀膜可控制备非晶柔性Bi-Te-Se膜的方法
技术领域
本发明涉及采用物理气相沉积可控制备非晶柔性Bi-Te-Se膜的方法,特别涉及一种采用真空蒸发镀膜可控制备非晶柔性Bi-Te-Se膜的方法。
背景技术
热电材料是一种能够实现热能与电能相互转换的固体材料,当直流电通过两种不同材料串联成的电偶时,在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量,对热端实现制冷。它是一种新型的主动热控技术:在通电情况下,它既可以进行快速、高效的主动制冷,又可改变电流方向,实现致冷和加热转换;在存在温差时,可利用余热进行发电。热电器件的众多优点早已引起人们的关注。遗憾的是现在的热电器件效率比较低,因而到目前为止,热电器件还没有得到广泛的应用。热电效率可用品质因子zT(zT=TσS2/κ,S是Seebeck系数、σ是电导率、κ为热导率、T为温度)来衡量,zT代表了热电材料的一种特性,决定了器件所能达到的最大功率。近些年来,基于热电转换材料的Seebeck效应,少量新型的温差电无源传感器被研制成功,并用于低温温度测量、单像素红外线和X射线探测、氢气与其它可燃气体泄漏检测。另外,由于柔性热电薄膜材料比相应的块体材料具有更好的柔性,所以柔性热电薄膜材料在可穿戴电子设备中表现出非常广泛的应用前景。例如,具有高柔性的热电薄膜能简单方便的贴在人体的皮肤上,展现出了利用人体与环境的温差发电而可给手机充电的极大潜力。但是,有机柔性热电材料因较低的S值(S<100μV/K)被限制利用,而具有高电学性能的无机热电薄膜包括Ag2S体系,AgSbTe2体系和Bi2Te3体系等材料逐渐引起了广大科研人员的极大兴趣。Bi2Te3系列材料由于具有优异的室温附近zT值而被进行大量的研究,Bi2Te3基材料的商用块体的热电品质因子zT一般在1左右。目前,提升zT值有两大方法:一是能带工程方法,核心是调控能带结构,优化功率因子σS2;二是声子工程方法,核心是增强声子散射,降低声子热导率κ,尤其降低晶格热导。理论和实验研究均表明热电材料的低维化与非晶化可大幅提升功率因子与降低热导,从而提高材料的热电zT值。因此通过材料微观组织的低维化与非晶化,实现材料的热电性能提升;尤其,在低维结构非晶生长膜中,低维结构非晶化可以有利声子散射与湮没,由于局部的无序与结构的不连续性,导致极大降低材料的热导。因此,材料微观组织的非晶化是实现碲化铋基热电材料性能突破的重要途径之一,也为开发新颖非晶膜高效热电柔性器件提供了一条新思路。
目前,Bi2Te3系列薄膜的制备方法有多种,包括磁控溅射沉积、快速蒸发沉积、脉冲激光沉积、分子束外延法等方法。但是,由于薄膜的非晶化生长要求非常严格,几乎没有研究能够控制薄膜的非晶化生长,特别是Bi2Te3系列薄膜的非晶化。在Bi2Te3系列材料的微结构调控方面,仅有一些关于调控纳米结构以及无序与有序结构等方面的报道。在这些研究中,微结构调控使材料性能在一定程度上得到较好的提升。因此在前面研究的基础上,本发明利用现有的常规块体Bi2Te3基热电材料,采用简便的热蒸镀方法,控制实验参数,实现非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜制备,低维结构非晶化可以有利声子散射与湮没,由于局部的无序与结构的不连续性,导致极大降低材料的热导,提升热电zT值。此外,利用这种薄膜技术制备热电材料,还可以与其它微加工工艺完美结合,有效的提高柔性器件的性能。这将为研制和开发高zT、低成本的新颖柔性热电薄膜及高效柔性微器件提供新思路。根据深入分析和了解,新颖的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜到目前还未见专利与文献方面的报道。
因此,提供一种工艺简单、设计合理、效果显著的采用真空蒸发镀膜可控制备非晶柔性Bi-Te-Se膜的方法,即采用真空蒸发镀膜可控制备非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜的方法,是该领域技术人员当前亟待解决的难题之一。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处,为了解决非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜热电材料在合成方面存在的诸多问题,本发明采用真空蒸发镀膜法,通过调节交流电源输出电流的大小、沉积速率以及基底与钨舟的距离。在真空室钨舟内,放置Bi2Te2.7Se0.3原料,直接在玻璃基底上沉积出具有非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜。整个沉积工艺过程简单,成本低廉,易于规模化生产,所得到的柔性Bi2Te2.7Se0.3膜结构非晶化生长,纳米颗粒无序排列、结构非晶化,薄膜极具柔性。制备的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜性能优异,方便加工成柔性器件。
为实现上述目的本发明所采用的技术方案是:一种采用真空蒸发镀膜可控制备非晶柔性Bi-Te-Se膜的方法,其特征在于包括有下列制备步骤:
(1)将质量百分比纯度为99.99%的Bi2Te2.7Se0.3粉末在3MPa~5MPa压力下压制材料成块体;所述Bi2Te2.7Se0.3粉末的平均粒径小于50μm;
(2)柔性基底在无水乙醇和去离子水中分别超声清洗5min~10min后取出,并用高纯度99.999%氮气吹干;
(3)将0.1g~0.2g的Bi2Te2.7Se0.3材料压制成的块体放入真空镀膜机的真空室的钨舟中,把基底放置于样品台上,调节基底与钨舟的距离d=8cm~11cm;
(4)向真空室内充入2min~8min氮气后停止,随后对真空室抽真空,使真空室内真空度达到2.0×10-4Pa~5.0×10-4Pa;
(5)在PID控制器上设定沉积速率40nm/min~75nm/min,沉积时间40min~60min;
(6)开启交流电源,调节输出电流170A~185A;打开样品台自转25r/min~30r/min;开始在基底上沉积制备非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜;
(7)制备完毕,关闭交流电源,在真空镀膜机真空室内真空保护2h~3h后,取出,制得在柔性基底上沉积具有非晶生长的柔性Bi2Te2.7Se0.3膜。
本发明的有益效果是:
(1)本发明采用真空蒸发镀膜法,制备出一种新颖的非晶柔性膜材料,膜中颗粒为非晶纳米颗粒,这种低维结构非晶化可以有利声子散射与湮没,由于薄膜局部的无序与结构的不连续性,大幅降低材料的热导,且柔性良好。
(2)通过低维结构非晶化来得到具有极低的热导材料,从而可以有效提升热电zT值。利用现代测试手段,系统研究低维结构非晶化对热电输运性能的影响,建立相应的形成机理模型、结构-性能关系,为研制和开发新颖高zT常温区用热电柔性薄膜和柔性器件提供了新的思路。
(3)性能测试表明非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜的热导非常低,比其它晶体Bi2Te2.7Se0.3材料的热导有大幅降低,因此引入低维结构非晶化是一种提高热电材料性能的有效途径。
(4)利用简便的真空蒸发镀膜可以大规模的加工出非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜,方法简单、新颖,生产环境、反应条件宽松,具有技术突破的原创性,同时具有非常显著的实用价值和经济效益。
附图说明
图1是本发明实施例1制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜的XRD;
图2是本发明实施例1制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜的光学照片;
图3是本发明实施例1制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜表面的SEM;
图4是本发明实施例1制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜侧面的SEM;
图5是本发明实施例2制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜的XRD;
图6是本发明实施例2制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜的光学照片;
图7是本发明实施例2制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜表面的SEM;
图8是本发明实施例2制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜侧面的SEM;
图9是本发明实施例3制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜的XRD;
图10是本发明实施例3制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜的光学照片;
图11是本发明实施例3制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜表面的SEM;
图12是本发明实施例3制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜侧面的SEM;
图13是本发明实施例4制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.33膜的XRD;
图14是本发明实施例4制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜的光学照片;
图15是本发明实施例4制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜表面的SEM;
图16是本发明实施例4制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜侧面的SEM。
具体实施方式
以下结合附图和较佳实施例,对依据本发明提供的具体实施方式、特征详述如下:
如图1-图16所示,一种采用物理气相沉积可控制备非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜的方法,即本发明采用真空蒸发镀膜法制备非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜,包括下列制备步骤:
(1)将质量百分比纯度为99.99%的Bi2Te2.7Se0.3粉末在3MPa~5MPa压力下压制材料成块体;所述Bi2Te2.7Se0.3粉末的平均粒径小于50μm;
(2)柔性基底在无水乙醇和去离子水中分别超声清洗5min~10min后取出,并用高纯度99.999%氮气吹干;
(3)将0.1g~0.2g的Bi2Te2.7Se0.3材料压制成的块体放入真空镀膜机的真空室的钨舟中,把基底放置于样品台上,调节基底与钨舟的距离d=8cm~11cm;
(4)向真空室内充入2min~8min氮气后停止,随后对真空室抽真空,使真空室内真空度达到2.0×10-4Pa~5.0×10-4Pa;
(5)在PID控制器上设定沉积速率40nm/min~75nm/min,沉积时间40min~60min;
(6)开启交流电源,调节输出电流170A~185A;打开样品台自转25r/min~30r/min;开始在基底上沉积制备非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜;
(7)制备完毕,关闭交流电源,在真空镀膜机真空室内真空保护2h~3h后,取出,制得在柔性基底上沉积具有非晶生长的柔性Bi2Te2.7Se0.3膜。
实施例1
在聚酰亚胺(PI)基底上蒸发镀膜法制备非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜(较佳):
(1)将质量百分比纯度为99.99%的Bi2Te2.7Se0.3粉末在3MPa压力下压制材料成块体;所述Bi2Te2.7Se0.3粉末的平均粒径小于50μm;
(2)柔性基底在无水乙醇和去离子水中分别超声清洗6min后取出,并用高纯度99.999%氮气吹干;
(3)将0.15g的Bi2Te2.7Se0.3材料压制成的块体放入真空镀膜机的真空室的钨舟中,把基底放置于样品台上,调节基底与钨舟的距离d=8cm;
(4)向真空室内充入3min氮气后停止,随后对真空室抽真空,使真空室内真空度达到2.0×10-4Pa;
(5)在PID控制器上设定沉积速率50nm/min,沉积时间60min;
(6)开启交流电源,调节输出电流175A;打开样品台自转30r/min;开始在基底上沉积制备非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜;
(7)制备完毕,关闭交流电源,在真空镀膜机真空室内真空保护3h后,取出,制得在柔性基底上沉积具有非晶生长的柔性Bi2Te2.7Se0.3膜。
采用X射线衍射仪(Rigaku D/MAX 2200)对实施例1制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜进行物相分析,如图1所示,说明制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜为非晶,仅具有宽化(0 15)峰包。
图2为实施例1制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜的光学照片,表明该薄膜具有非常好的柔性。
采用扫描电子显微镜(FE-SEM,Sirion 200)下观察实施例1制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜,从表面可以看出,非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜中颗粒尺寸较小且均匀紧密分布,扫描电镜照片如图3所示。其断面形貌如图4,可知断面由纳米颗粒构成,这种薄膜局部的无序与结构的不连续性,大幅降低材料的热导。
实施例2
在聚苯二甲酸乙二醇酯(PEN)基底上蒸发镀膜法制备非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜:
(1)将质量百分比纯度为99.99%的Bi2Te2.7Se0.3粉末在4MPa压力下压制材料成块体;所述Bi2Te2.7Se0.3粉末的平均粒径小于50μm;
(2)柔性基底在无水乙醇和去离子水中分别超声清洗10min后取出,并用高纯度99.999%氮气吹干;
(3)将0.2g的Bi2Te2.7Se0.3材料压制成的块体放入真空镀膜机的真空室的钨舟中,把基底放置于样品台上,调节基底与钨舟的距离d=9cm;
(4)向真空室内充入5min氮气后停止,随后对真空室抽真空,使真空室内真空度达到3.0×10-4Pa;
(5)在PID控制器上设定沉积速率60nm/min,沉积时间60min;
(6)开启交流电源,调节输出电流180A;打开样品台自转28r/min;开始在基底上沉积制备非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜;
(7)制备完毕,关闭交流电源,在真空镀膜机真空室内真空保护2h后,取出,制得在柔性基底上沉积具有非晶生长的柔性Bi2Te2.7Se0.3膜。
采用X射线衍射仪(Rigaku D/MAX 2200)对实施例2制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜进行物相分析,如图5所示,说明制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜为非晶,仅具有宽化(0 15)峰包。
图6为实施例2制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜的光学照片,表明该薄膜具有非常好的柔性。
采用扫描电子显微镜(FE-SEM,Sirion 200)下观察实施例2制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜,从表面可以看出,非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜中颗粒尺寸较小且均匀紧密分布,扫描电镜照片如图7所示。其断面形貌如图8,可知断面由纳米颗粒构成,这种薄膜局部的无序与结构的不连续性,大幅降低材料的热导。
实施例3
在环氧树脂基底上蒸发镀膜法制备非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜:
(1)将质量百分比纯度为99.99%的Bi2Te2.7Se0.3粉末在5MPa压力下压制材料成块体;所述Bi2Te2.7Se0.3粉末的平均粒径小于50μm;
(2)柔性基底在无水乙醇和去离子水中分别超声清洗8min后取出,并用高纯度99.999%氮气吹干;
(3)将0.15g的Bi2Te2.7Se0.3材料压制成的块体放入真空镀膜机的真空室的钨舟中,把基底放置于样品台上,调节基底与钨舟的距离d=10cm;
(4)向真空室内充入6min氮气后停止,随后对真空室抽真空,使真空室内真空度达到5.0×10-4Pa;
(5)在PID控制器上设定沉积速率70nm/min,沉积时间50min;
(6)开启交流电源,调节输出电流180A;打开样品台自转26r/min;开始在基底上沉积制备非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜;
(7)制备完毕,关闭交流电源,在真空镀膜机真空室内真空保护2h后,取出,制得在柔性基底上沉积具有非晶生长的柔性Bi2Te2.7Se0.3膜。
采用X射线衍射仪(Rigaku D/MAX 2200)对实施例3制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜进行物相分析,如图9所示,说明制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜为非晶,仅具有宽化(0 15)峰包。
图10为实施例3制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜的光学照片,表明该薄膜具有非常好的柔性。
采用扫描电子显微镜(FE-SEM,Sirion 200)下观察实施例3制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜,从表面可以看出,非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜中颗粒尺寸较小且均匀紧密分布,扫描电镜照片如图11所示。其断面形貌如图12,可知断面由纳米颗粒构成,这种薄膜局部的无序与结构的不连续性,大幅降低材料的热导。
实施例4
在环氧树脂基底上蒸发镀膜法制备非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜:
(1)将质量百分比纯度为99.99%的Bi2Te2.7Se0.3粉末在5MPa压力下压制材料成块体;所述Bi2Te2.7Se0.3粉末的平均粒径小于50μm;
(2)柔性基底在无水乙醇和去离子水中分别超声清洗9min后取出,并用高纯度99.999%氮气吹干;
(3)将0.1g的Bi2Te2.7Se0.3材料压制成的块体放入真空镀膜机的真空室的钨舟中,把基底放置于样品台上,调节基底与钨舟的距离d=11cm;
(4)向真空室内充入8min氮气后停止,随后对真空室抽真空,使真空室内真空度达到4.0×10-4Pa;
(5)在PID控制器上设定沉积速率75nm/min,沉积时间40min;
(6)开启交流电源,调节输出电流185A;打开样品台自转25r/min;开始在基底上沉积制备非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜;
(7)制备完毕,关闭交流电源,在真空镀膜机真空室内真空保护2.5h后,取出,制得在柔性基底上沉积具有非晶生长的柔性Bi2Te2.7Se0.3膜。
采用X射线衍射仪(Rigaku D/MAX 2200)对实施例4制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜进行物相分析,如图13所示,说明制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜为非晶,仅具有宽化(01 5)峰包。
图14为实施例4制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜的光学照片,表明该薄膜具有非常好的柔性。
采用扫描电子显微镜(FE-SEM,Sirion 200)下观察实施例4制得的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜,从表面可以看出,非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜中颗粒尺寸较小且均匀紧密分布,扫描电镜照片如图15所示。其断面形貌如图16,可知断面由纳米颗粒构成,这种薄膜局部的无序与结构的不连续性,大幅降低材料的热导。
本发明是采用简单的物理气相沉积制备非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜方法,即采用真空蒸发镀膜法,制备出一种新颖的非晶柔性膜材料;通过低维结构非晶化来得到具有极低的热导材料,从而可以显著提升热电zT值。
非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜热导性能测试结果见表1,相比最近关于其它的Bi2Te3系列材料文献报道结果优异很多,例如:R.S.C.Bose等取得的最低热导k>0.9(J.Alloy.Compd.,859,157828,2021);Q.S.Xiang等获得的最低热导k>1.0(Mater.Chem.Phys.,201,57-62,2017);L.W.Zhao等获得的最低热导k~1.0(J.Alloy.Compd.,863,158376,2021);B.Jabar等获得的最低热导k>0.85(Nano Energy80,105512,2021),这表明本发明的非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜材料热导显著优异。这是因为低维结构非晶化可以有利声子散射与湮没,由于局部的无序与结构的不连续性,导致极大降低材料的热导,因此引入低维结构非晶化是一种提高热电柔性材料性能的有效途径。
表1示出非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜在室温下(300K)测试的热导性能,每个值为五次测试结果平均值。
Bi<sub>2</sub>Te<sub>2.7</sub>Se<sub>0.3</sub>膜 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
热导k(W/m·K) 0.41 0.49 0.55 0.62
上述参照实施例对该采用真空蒸发镀膜可控制备非晶柔性Bi-Te-Se膜的方法进行的详细描述,是说明性的而不是限定性的,因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改,应属本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种采用真空蒸发镀膜可控制备非晶柔性Bi-Te-Se膜的方法,其特征在于包括有下列制备步骤:
(1)将质量百分比纯度为99.99%的Bi2Te2.7Se0.3粉末在3MPa~5MPa压力下压制材料成块体;所述Bi2Te2.7Se0.3粉末的平均粒径小于50μm;
(2)柔性基底在无水乙醇和去离子水中分别超声清洗5min~10min后取出,并用高纯度99.999%氮气吹干;
(3)将0.1g~0.2g的Bi2Te2.7Se0.3材料压制成的块体放入真空镀膜机的真空室的钨舟中,把基底放置于样品台上,调节基底与钨舟的距离d=8cm~11cm;
(4)向真空室内充入2min~8min氮气后停止,随后对真空室抽真空,使真空室内真空度达到2.0×10-4Pa~5.0×10-4Pa;
(5)在PID控制器上设定沉积速率40nm/min~75nm/min,沉积时间40min~60min;
(6)开启交流电源,调节输出电流170A~185A;打开样品台自转25r/min~30r/min;开始在基底上沉积制备非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜;
(7)制备完毕,关闭交流电源,在真空镀膜机真空室内真空保护2h~3h后,取出,制得在柔性基底上沉积具有非晶生长的柔性Bi2Te2.7Se0.3膜。
2.根据权利要求1所述的采用真空蒸发镀膜可控制备非晶柔性Bi-Te-Se膜的方法,其特征在于包括有下列制备步骤:
(1)将质量百分比纯度为99.99%的Bi2Te2.7Se0.3粉末在3MPa压力下压制材料成块体;所述Bi2Te2.7Se0.3粉末的平均粒径小于50μm;
(2)柔性基底在无水乙醇和去离子水中分别超声清洗6min后取出,并用高纯度99.999%氮气吹干;
(3)将0.15g的Bi2Te2.7Se0.3材料压制成的块体放入真空镀膜机的真空室的钨舟中,把基底放置于样品台上,调节基底与钨舟的距离d=8cm;
(4)向真空室内充入3min氮气后停止,随后对真空室抽真空,使真空室内真空度达到2.0×10-4Pa;
(5)在PID控制器上设定沉积速率50nm/min,沉积时间60min;
(6)开启交流电源,调节输出电流175A;打开样品台自转,30r/min;开始在基底上沉积制备非晶柔性Bi2Te2.7Se0.3膜;
(7)制备完毕,关闭交流电源,在真空镀膜机真空室内真空保护3h后,取出,制得在柔性基底上沉积具有非晶生长的柔性Bi2Te2.7Se0.3膜。
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