Si基熱電薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及熱電功能材料領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種Ag滲雜MgzSi基熱電薄膜及其制備 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱電材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的綠色環(huán)保型功能材料；W熱 電材料制作的溫差電器件具有無任何機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分、工作無噪聲、使用壽命長、不存在污染 環(huán)境問題等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于溫差發(fā)電器、熱電制冷器W及傳感器等領(lǐng)域。因此制備高性 能的熱電材料，不但符合綠色環(huán)保和低碳經(jīng)濟(jì)的要求，同時(shí)具有重要的科學(xué)意義和廣泛的 應(yīng)用前景。
[0003] 當(dāng)前，由于受熱電材料性能的限制，熱電器件的應(yīng)用還遠(yuǎn)沒有達(dá)到取代機(jī)械制冷 機(jī)的地步，運(yùn)已成為熱電器件大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸，因此高性能熱電材料是當(dāng)前國際材料研 究領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題之一。熱電材料的性能主要由無量綱品質(zhì)因子ZT值表征：ZT=T〇a ; 其中T為絕對(duì)溫度，O為材料的電導(dǎo)率，a為Seebeck系數(shù)，K為熱導(dǎo)率。
[0004] 近年來研究發(fā)現(xiàn)熱電材料薄膜化有利于提高熱電材料的熱電特性，主要原因在 于：一、可通過維數(shù)的降低，形成界面散射效應(yīng)從而降低材料的熱導(dǎo)率，增大材料的熱電優(yōu) 值，當(dāng)薄膜厚度在納米量級(jí)時(shí)還能產(chǎn)生量子禁閉效應(yīng)提高材料的功率因子。二、薄膜化可提 高其響應(yīng)速度、能量密度和小型靜態(tài)局域化的能力。除此之外，薄膜化的熱電材料在轉(zhuǎn)化效 率方面和成本方面，都有很大的優(yōu)勢(shì)。因此對(duì)于MgzSi基熱電薄膜的研究具有重要的意義。
[0005] MgzSi熱電材料是一種應(yīng)用于中溫區(qū)的具有應(yīng)用前景的熱電材料之一，其熱電性 能的優(yōu)化與提高是目前國際熱電材料科學(xué)的前沿課題。目前對(duì)于MgzSi熱電薄膜的制備研 究只有少量的報(bào)道，效果也不甚理想；主要是目前簡(jiǎn)單的制備技術(shù)并不能制備出多滲雜、高 性能的MgzSi基熱電薄膜材料。復(fù)雜的工藝雖然能夠制備出優(yōu)值較高的MgzSi基熱電薄膜， 但其制備成本高、工藝復(fù)雜都無法滿足其產(chǎn)業(yè)化的需求。而MgzSi需要相關(guān)材料的滲雜，才 能夠?qū)崿F(xiàn)熱電性能較大的提高；目前最常用的滲雜方式是先將所需要滲雜的材料與MgzSi 混合制備成同一祀材，再鍛制成薄膜，運(yùn)種方式成本高、工序繁瑣、時(shí)間長，同時(shí)祀材與膜的 化學(xué)成分并不相符、可控性差。因此如何簡(jiǎn)化滲雜型MgzSi基熱電薄膜的合成制備工藝，實(shí) 現(xiàn)MgzSi基熱電薄膜的最優(yōu)滲雜，獲取結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能優(yōu)越的MgzSi基熱電薄膜的關(guān)鍵技術(shù)， 是目前的研究重點(diǎn)。
[0006] 理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明Ag是重要的P型滲雜元素，當(dāng)Ag固溶于MgzSi晶格 中，會(huì)取代Si4的位置，引入負(fù)電中屯、和空穴，半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理從電子導(dǎo)電轉(zhuǎn)變?yōu)榭昭▽?dǎo) 電，材料從n型轉(zhuǎn)變?yōu)镻型；另外，薄膜低維化的量子效應(yīng)進(jìn)一步提升其熱電性能。目前，Ag 滲雜MgzSi基熱電薄膜仍未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種Ag滲雜MgzSi基熱電薄膜及其制備方法，旨 在解決現(xiàn)有的Ag滲雜MgzSi基熱電薄膜制備方法工藝繁瑣、效率低、可控性差的問題；通過 雙祀循環(huán)瓣射，可精準(zhǔn)的控制瓣射功率、瓣射時(shí)間比等參數(shù)來調(diào)整Ag的滲雜量，簡(jiǎn)化了制 備工藝，降低了成本，可滿足大規(guī)模生產(chǎn)需要。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下： 一種Ag滲雜MgzSi基熱電薄膜的制備方法，采用磁控瓣射沉積法在絕緣襯底上進(jìn)行雙 祀循環(huán)瓣射，其中，一祀位放MgzSi祀，電源選用射頻電源；另一祀位放Ag單質(zhì)祀，電源選用 直流電源；先鍛一層MgzSi,接著鍛Ag層，再鍛一層MgzSi,W此為一周期；按此周期循環(huán)瓣 射多次，制備得到具有疊層結(jié)構(gòu)的薄膜；最后采用真空退火獲得Ag滲雜MgzSi基熱電薄膜。
[0009] 所述的雙祀循環(huán)瓣射條件為：本底真空度為6. 5X10 4~1. 0X10 5Pa,工作氣體 為高純Ar氣，Ar氣流量10~50seem,工作氣壓為0. 1~5. 0Pa。
[0010] 雙祀循環(huán)瓣射的周期為1~24次，Ag和MgzSi的瓣射時(shí)間比為1:4~1:60,總瓣 射時(shí)間和為0. 5~1. 5h。
[0011] M拓Si祀射頻瓣射功率為40~200W，Ag祀直流瓣射功率為20~150W。
[0012] 在瓣射完成后，關(guān)閉瓣射源，在本底真空度低于5.OXlO4化的真空室中通入高純 Ar氣，關(guān)小抽氣閥口，使Ar氣的氣氛維持在1~50Pa;在試樣不出爐的情況下采用真空退 火制備得到Ag滲雜MgzSi基熱電薄膜。
[0013] 所述退火溫度為100~500°C，退火時(shí)間為0. 5h~5h。
[0014] 絕緣襯底使用前應(yīng)依次采用丙酬、酒精進(jìn)行超聲波清洗，超聲波清洗時(shí)間分別為 10 ~30min。
[0015] 所述絕緣襯底為絕緣玻璃、單晶Si、石英、AI2O3中的一種。
[001引Ag滲雜MgzSi基薄膜的熱電性能優(yōu)于現(xiàn)有的MgzSi材料，其機(jī)理是當(dāng)Ag固溶于MgzSi晶格中，會(huì)取代Si4的位置，引入負(fù)電中屯、和空穴，半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理從電子導(dǎo)電轉(zhuǎn) 變?yōu)榭昭▽?dǎo)電，材料從n型轉(zhuǎn)變?yōu)镻型；另外，薄膜低維化的量子效應(yīng)進(jìn)一步提升其熱電性 能。
[0017] 本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于： 本發(fā)明利用Ag滲雜獲得P型MgzSi基材料并通過薄膜低維化進(jìn)一步提高其熱電性能； 采用雙祀循環(huán)瓣射沉積方法制備Ag滲雜MgzSi基熱電薄膜，可控性強(qiáng)、薄膜具有良好的附 著性和重復(fù)性，可滿足大規(guī)模生產(chǎn)需要，并且可精準(zhǔn)的控制瓣射功率、瓣射時(shí)間比等參數(shù)來 調(diào)整Ag的滲雜量，簡(jiǎn)化了制備工藝，降低了成本，可滿足大規(guī)模生產(chǎn)需要。
【附圖說明】
[001引圖1為本發(fā)明所述的Ag滲雜MgzSi基熱電薄膜的沉積層示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 本發(fā)明提供一種Ag滲雜MgzSi基熱電薄膜的制備方法，為使本發(fā)明的目的、技術(shù) 方案及效果更加清楚、明確，W下對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體 實(shí)施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0020] 本發(fā)明所提供的一種Ag滲雜MgzSi基熱電薄膜的制備方法，其包括步驟：采用磁 控瓣射沉積法進(jìn)行雙祀循環(huán)瓣射，其中，一祀位放MgzSi祀，電源選用射頻電源；另一祀位放 Ag單質(zhì)祀，電源選用直流電源。先在襯底上鍛一層MgzSi，接著鍛一層薄的Ag層，再鍛一層MgzSi;如此往復(fù)多次，從而制備得到具有疊層結(jié)構(gòu)的薄膜，最后采用真空退火獲得Ag滲雜 MgzSi基熱電薄膜。Ag滲雜MgzSi基熱電薄膜沉積層示意圖如圖1所示。
[0021] 下面通過若干實(shí)施例來說明本發(fā)明的Ag滲雜MgzSi基熱電薄膜的制備方法。
[0022] 實(shí)施例1 1) 采