低維結構熱電材料的製備方法
2023-06-01 15:09:11
專利名稱：低維結構熱電材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種熱電材料的製備方法，特別涉及一種低維結構熱電材料的製備方法。
背景技術：
溫差電材料(Thermoelectric Materials)也稱為熱電材料。溫差電材料主要用於製備熱電製冷器件和熱電發電器件。溫度梯度場熱電轉換原理簡稱溫差電原理 (Thermoelectric)，它的發現可追溯到19世紀，1822年，ThomasSeebeck發現溫差電動勢效應(溫差電材料發電原理，即Seebeck原理)；1834年，Jean Peltier發現電流迴路中兩不同材料導體結界面處的降溫效應(溫差電材料製冷原理，即Peltier原理)。20世紀50年代發現一些半導體材料是良好的溫差電材料。溫差電器件的工作效率取決於材料的一個無量綱參數ZT。TE器件要求ZT越大越好，ZT越大效率越高。通常把ZT > 0. 5的材料稱為溫差電材料。溫差電器件的設計主旨在於提高ZT值。目前商用主流溫差電材料ZT = 0.8 1，由其製備的溫差發電器件的能量轉換效率大約在4% —-7%。全球每年的能源消耗有三分之一以上是以廢熱隨機排放出去，這不斷造成了能源的危機，同時對全球氣候產生極大傷害。溫差發電器件可直接把熱能轉化為電能，該特性近年引起全球關注和重視。溫差電器件的優點在於其固態結構特點，它結構尺寸小，輕便，堅固耐用，無噪音，無汙染，造價低，適用於極端環境。近年來國內外相關研究極大推動了溫度梯度場熱電轉換應用的發展。從各種能源體系角度來看高效溫差發電預期在未來會越來越值得人們期待，未使用的廢熱數額以及以有效利用熱電產生系統為基礎的低碳社會，從能源供應和低環境影響的角度來看高效熱電轉換材料/製造工藝將會是優先被考慮研發和推薦的技術。溫差電器件的缺點在於其工作效率相對偏低，且相關材料的種類較少。
發明內容
針對上述現有技術的不足，本發明要解決的技術問題是提供一種新的低維結構熱電材料製備方法。為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案一種低維結構熱電材料的製備方法，其包括如下步驟首先基於多孔氧化鋁模板製備的納米線超晶格複合結構熱電薄膜，具體方法是採用交叉結構的陰電極製備工藝，通過電化學沉積法，用直流或脈衝激勵，分別先後在多孔氧化鋁模板空洞中沉積相間排列的P 型和N型熱電材料，最後基於合金工藝和CVD技術製備出級聯的納米線鑲嵌結構薄膜即低維結構熱電材料，所述熱電材料的主要成分為碲化鉍、硒化鉍、碲化銻、碲化鉛及其他們的固溶體。優選的，所述多孔氧化鋁模板為陽極氧化製備的多孔氧化鋁。優選的，所述多孔氧化鋁模板的孔洞大小為5-300nm、長度從10微米一100微米以上、孔洞密度可達2*10^11/cm2、高縱橫比大於1000的均質模板。
優選的，所述的納米線列陣超晶格的結構摺疊的超晶格型納米線材料。優選的，所述納米線材料陣列的線直徑大約為5nm--300nm，納米線分布密度大約為 109/cm2-—ΙΟ11/^!!2。優選的，可在二氧化矽基板、藍寶石基板、氧化鈹、氮化鋁基板上製備量子點和納米線陣列。優選的，在沉積材料過程中可進行實時原位摻雜。上述技術方案具有如下有益效果經檢驗經過上述方法製得的低維結構熱電薄膜的無量綱熱電品質因子大於2，用此材料製備的溫差發電器件熱電轉換效率大於10%，是一種非常好的熱電材料。上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段， 並可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例並配合附圖詳細說明如後。 本發明的具體實施方式
由以下實施例及其附圖詳細給出。
圖1為多孔氧化鋁模板填充製備材料後的結構圖。圖2為鋁模板空洞中的ρ型、η型半導體納米線排列圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細介紹。該低維結構熱電材料的製備方法，其包括如下步驟首先基於多孔氧化鋁模板製備的納米線超晶格複合結構熱電薄膜，具體方法是採用交叉結構的陰電極製備工藝，通過電化學沉積法，用直流或脈衝激勵，分別先後在多孔氧化鋁模板空洞中沉積相間排列的P型和N型熱電材料，在沉積材料過程中可進行實時原位摻雜，如圖2所示，多孔氧化鋁模板空洞中沉積的ρ型、η型半導體納米線為交替排列。此處的多孔氧化鋁模板為陽極氧化製備的多孔氧化鋁，多孔氧化鋁模板的孔洞大小為5-300nm、 長度至100微米以上、孔洞密度可達&1011/(^2、高縱橫比大於1000的均質模板。製備的納米線超晶格複合結構的實質為摺疊的超晶格型納米線材料，納米線材料陣列的線直徑大約為60nm左右，納米線分布密度大約為^109/cm2。然後將製備完畢的各單元納米線建立溫差電偶的無限級聯的合金化過程，最後採用CVD技術藉助多孔氧化鋁模板作為掩膜板製備成低維熱電結構材料。如圖1所示，明亮部分為孔洞中已完全填充所製備材料，黑色部分未填充，灰色部分為模板，成核率大於80% .採用上述方法製備的熱電材料的無量綱熱電品質因子大於2， 用此材料製備的溫差發電器件熱電轉換效率大於10%，是一種非常好的熱電材料。以上對本發明實施例所提供的一種低維結構熱電材料的製備進行了詳細介紹，對於本領域的一般技術人員，依據本發明實施例的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制，凡依本發明設計思想所做的任何改變都在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種低維結構熱電材料的製備方法，其特徵在於，其包括如下步驟首先基於多孔氧化鋁模板製備的納米線超晶格複合結構熱電薄膜，具體方法是採用交叉結構的陰電極製備工藝，通過電化學沉積法，用直流或脈衝激勵，分別先後在多孔氧化鋁模板空洞中沉積相間排列的P型和N型熱電材料，最後基於合金工藝和CVD技術製備出級聯的納米線鑲嵌結構薄膜即低維結構熱電材料，所述熱電材料的主要成分為碲化鉍、硒化鉍、碲化銻、碲化鉛及其他們的固溶體。
2.根據權利要求1所述的低維結構熱電材料的製備方法，其特徵在於所述多孔氧化鋁模板為陽極氧化製備的多孔氧化鋁。
3.根據權利要求2所述的低維結構熱電材料的製備方法，其特徵在於所述多孔氧化鋁模板的孔洞大小為5-300nm、長度從10微米一100微米以上、孔洞密度可達hion/cm2、 高縱橫比大於1000的均質模板。
4.根據權利要求1所述的低維結構熱電材料的製備方法，其特徵在於所述的納米線列陣超晶格的結構摺疊的超晶格型納米線材料。
5.根據權利要求4所述的低維結構熱電材料的製備方法，其特徵在於所述納米線材料陣列的線直徑大約為5nm--300nm，納米線分布密度大約為107(^---1011/^!!^
6.根據權利要求1所述的低維結構熱電材料的製備方法，其特徵在於可在二氧化矽基板、藍寶石基板、氧化鈹、氮化鋁基板上製備量子點和納米線陣列。
7.根據權利要求1所述的低維結構熱電材料的製備方法，其特徵在於在沉積材料過程中可進行實時原位摻雜。
全文摘要
本發明公開了一種低維結構熱電材料的製備方法，其包括如下步驟首先基於多孔氧化鋁模板製備的納米線超晶格複合結構熱電薄膜，然後基於合金工藝和CVD技術製備的量子點或納米線鑲嵌結構薄膜。經檢驗經過上述方法製得的低維結構熱電薄膜的無量綱熱電品質因子大於2，用此材料製備的溫差發電器件熱電轉換效率大於10％，是一種具有非常好前景的熱電能源轉換材料。
文檔編號H01L35/34GK102263198SQ20101018271
公開日2011年11月30日 申請日期2010年5月26日 優先權日2010年5月26日
發明者劉宏 申請人:蘇州漢申溫差電科技有限公司