一种具有高功率因子碲化铋薄膜的制备方法

本发明涉及一种具有高功率因子碲化铋薄膜的制备方法。

背景技术：

1、热电材料是一种通过材料内部电子或空穴载流子的运动来实现热能与电能相互转换的一类绿色功能材料，具有合适窄带隙的二维热电材料有望获得较好的热电性能，其具备体积小、质量轻的特点，可以应用在集成电路散热、便携冰箱、余热回收等领域。目前，碲化铋薄膜可通过分子束外延、磁控溅射、脉冲激光沉积等方法制备。尽管分子束外延制备的薄膜质量较高，厚度为50nm以下薄膜的功率因子通常为10μw·cm-1·k-2，但是存在制备成本高的问题。而磁控溅射等方法制备的薄膜厚度大且质量差，功率因子通常小于3μw·cm-1·k-2，因此需要进行退火等后续处理以进一步提高性能。这些都阻碍了50nm以下碲化铋薄膜在便携场景中的应用。

技术实现思路

1、发明目的：本发明目的旨在提供一种具有高功率因子碲化铋薄膜的制备方法，该方法能够实现低成本制备50nm以下仍具有高功率因子的碲化铋薄膜。

2、技术方案：本发明所述的具有高功率因子碲化铋薄膜的制备方法，包括如下步骤：

3、(1)利用电子束蒸镀法在衬底上沉积铋薄膜；

4、(2)沿气体流动方向，将铋薄膜置于管式炉下游，将过量碲粉置于管式炉中心位置，抽真空后通入氩气作为载气，过量碲粉挥发使铋薄膜发生碲化反应，得到碲化铋薄膜。

5、其中，碲化铋薄膜上具有反位缺陷，通过在碲化铋薄膜上形成一定的反位缺陷(本发明中的n型碲化铋，有利的反位缺陷是)有利于优化其载流子浓度，从而提高其电导率，并且在提高电导率的同时，塞贝克绝对值不会出现明显的下降，进而提高碲化铋薄膜最终的功率因子。

6、其中，步骤(1)中，电子束蒸镀法中，电子束蒸镀机腔室压力低于6×10-4pa，薄膜蒸镀速率为衬底温度为75℃，基板旋转速度20rpm。由于铋相对较低的熔点(铋熔点为271℃)，蒸镀时速率不宜过大，这样不仅保证蒸镀速率稳定更易控制，而且铋薄膜会更加均匀，方便后续进行碲化反应。

7、其中，步骤(1)中，硬质衬底为sio2/si衬底或si衬底。

8、其中，步骤(1)中，铋薄膜的厚度为15～25nm。

9、其中，步骤(2)中，管式炉中心温度为300～375℃。

10、其中，步骤(2)中，铋薄膜在管式炉内的放置位置距管式炉中心位置的距离为6.5～11cm。碲化反应过程中，若铋薄膜处温度过高会导致铋升华，从而使制备的碲化铋薄膜不完整(铋熔点为271℃)；碲化反应温度过低会导致碲化反应不够充分，碲化铋薄膜结晶度低。碲化反应或铋薄膜所在区间的温度如果过高，铋薄膜会发生局部的升华，对碲化铋薄膜的完整性和质量都会造成明显负面的影响；如果反应温度过低，碲粉和铋薄膜的反应很难充分进行，并且不利于在之后的随炉冷却过程中进行重结晶。

11、其中，步骤(2)中，所述载气流量为100sccm，管式炉内压强为70～80pa。

12、其中，步骤(2)中，所述碲化反应保温时间为30min。

13、其中，步骤(2)中，碲粉用量不少于1.4×10-4～3.2×10-4mg。保证碲化反应过程中充足的碲粉有利于相同厚度铋薄膜下终产物碲化铋薄膜热电性能的提高。

14、有益效果：本发明方法能够低成本的制得50nm以下仍具有高功率因子(不同厚度下碲化铋薄膜的功率因子均大于5μw·cm-1·k-2)的碲化铋薄膜，从而有利于实现50nm以下碲化铋薄膜在便携场景中的应用；本发明通过调整碲化温度和碲粉用量来提高碲化铋薄膜的功率因子，无需后续单独退火处理。

技术特征：

1.一种具有高功率因子碲化铋薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的具有高功率因子碲化铋薄膜的制备方法，其特征在于：碲化铋薄膜上具有反位缺陷。

3.根据权利要求1所述的具有高功率因子碲化铋薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，电子束蒸镀法中，电子束蒸镀机腔室压力低于6×10-4pa，薄膜蒸镀速率为衬底温度为75～76℃，基板旋转速度20～22rpm。

4.根据权利要求1所述的具有高功率因子碲化铋薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，硬质衬底为sio2/si衬底或si衬底。

5.根据权利要求1所述的具有高功率因子碲化铋薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，铋薄膜的厚度为15～25nm。

6.根据权利要求1所述的具有高功率因子碲化铋薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，管式炉中心温度为300～375℃。

7.根据权利要求1所述的具有高功率因子碲化铋薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，铋薄膜在管式炉内的放置位置距管式炉中心位置的距离为6.5～11cm。

8.根据权利要求1所述的具有高功率因子碲化铋薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述载气流量为100sccm，管式炉内压强为70～80pa。

9.根据权利要求1所述的具有高功率因子碲化铋薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述碲化反应保温时间为30～35min。

10.根据权利要求1所述的具有高功率因子碲化铋薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，碲粉用量不少于1.4×10-4～3.2×10-4mg。

技术总结
本发明公开了一种具有高功率因子碲化铋薄膜的制备方法，包括如下步骤：(1)利用电子束蒸镀法在衬底上沉积铋薄膜；(2)沿气体流动方向，将铋薄膜置于管式炉下游，将过量碲粉置于管式炉中心位置，抽真空后通入氩气作为载气，过量碲粉挥发使铋薄膜发生碲化反应，得到碲化铋薄膜。本发明方法能够低成本地制得50nm以下仍具有高功率因子(不同厚度下碲化铋薄膜的功率因子均大于5μW·cm<supgt;‑1</supgt;·K<supgt;‑2</supgt;)的碲化铋薄膜，从而有利于实现50nm以下碲化铋薄膜在便携场景中的应用；本发明通过调整碲化温度和碲粉用量来提高碲化铋薄膜的功率因子，无需后续单独退火处理。

技术研发人员：陶立,居航,陈立立,朱蓓蓓,邢珊珊,王哲涵,陈佳熠,薛雨欣,赵成栋,陈子霖,范清臣
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15