一种多晶或非晶基底上制备原子层热电堆薄膜的方法与流程

本发明属于薄膜制备技术领域，具体涉及一种多晶或非晶基底上制备原子层热电堆薄膜的方法，应用在金属基底或复合材料上制备原子层热电堆(atomiclayerthermopile)薄膜。

背景技术：

原子层热电堆是一种具有热电各向异性的薄膜结构。高温超导材料如yba2cu3o7-δ(ybco)等具有多种金属元素的交替层状结构：其中cuo2层导电性高，y(ba)-o层导电性低。在有些非层状的导电材料中，采用应变控制等方法也可以使得材料具有一定的电导各项异性。将这种具有电导各项异性的材料制备成外延生长c轴倾斜取向的状态后，在有深度方向的热流情况下，薄膜材料上下表面形成温差，薄膜材料中的上下两个表面会形成大量相互串联的、犹如两种不同电导的材料构成的热电偶。由于薄膜厚度很薄，在小尺寸的薄膜中包含数量巨大的热偶节点(可高达10⁶/cm)，因此称之为原子层热电堆。在热冲击下每个原子层热电偶输出的小电压叠加在一起形成为较大的热电堆输出电压信号。由于热吸收和扩散都发生在纳米级别厚度的薄膜内，热容量非常小，信号的产生是由温度差引起的，不需要建立热平衡,所以响应速度快。

为了对各项异性导电薄膜的倾斜生长进行严格的取向控制，原子层热电堆热流传感器通常都制作在以一定角度斜切的单晶表面。在单晶基片上外延生长出来的薄膜具有较高的取向一致性和确定的倾斜角度，容易控制其特性。非稳态热传导现象研究中，如发动机内表面、涡轮叶片，飞行器边界层、非规则形状的湍流边界层等，超高速流量对传感器的灵敏度(电压输出/热通量密度)和时间响应(以便在高频时也能达到很大的信噪比)有很高的要求，小体积、快响应、宽量程的原子层热电堆热流传感器应该有很好的应用。但这些应用场景中，由于被测件高速运动和表面受高速热流冲击的原因，单晶制成的独立传感器在测量中不易安装的问题随之产生；而且单晶的硬脆特性满足不了非平面应用场合的应用要求：由于变形量很小，单晶片无法有效的贴合被测件的表面上而形成干扰流体流动的表面；另外，单晶的厚度较大而且导热特性与被测件不一致，使得其传热的变化与被测件有较大差异，会导致额外的测试误差。

因此，如果能够发展出厚度薄、柔性高、导热性好的原子层热电堆热流传感器，将大大扩展其应用领域。特别是能够在被测件表面直接制备出具有热流测试功能的原子层热电堆热流传感器，将为复杂外形表面的热流测试提供全新的技术手段。

技术实现要素：

为了解决上述问题，实现直接在多晶或非晶的被测件表面或极薄的柔性金属衬底上制备原子层热电堆薄膜，本发明提供了一种多晶或非晶基底上制备原子层热电堆薄膜的方法。

一种多晶或非晶基底上制备原子层热电堆薄膜的方法，具体步骤如下：

步骤1，对基底表面进行平坦化处理，面均方根粗糙度(rms)≤2nm，基底为多晶或非晶；

步骤2，在步骤1所得经过平坦化处理的基底表面，运用ibad法制备10-20nm厚的mgo薄膜，其中离子入射方向和mgo粒子入射方向在同一平面内，二者夹角保持为40°～55°。

步骤3，在经过步骤2处理的ibad-mgo表面外延100-150nm厚的mgo薄膜。以改善mgo薄膜织构和提高表面平整度，为在此之上制备原子层热电堆功能层提供良好基础。

步骤4，在经过步骤3外延mgo薄膜处理的表面生长厚度50-500nm的yba2cu3o7-δ薄膜。

进一步的，所述步骤1通过抛光或溶液沉积平坦化方法处理表面粗糙度较大的多晶或非晶表面：因为生长高质量离子束辅助的电子束蒸发氧化镁(ibad-mgo)薄膜，需要提供纳米级平整度的基底。

本发明采用ibad法在非晶基底上获得双轴织构(类似单晶，晶粒间夹角小)，而mgo是一种快速形成(厚度10nm达到最优)双轴织构的材料；并通过改变通常所用的离子束入射方向与mgo蒸发源入射方向相对于基底的夹角，薄膜形成类似于斜切单晶表面c轴倾斜于基底法线的结构，最终得到具有c轴倾斜晶粒的薄膜。

综上所述，本发明采用的ibad-mgo技术可以获得c轴倾斜结构，与单晶原子层热电堆传感器的斜切表面类似；整个技术路线使用的方法适用于多晶和非晶的表面，不仅可以使用厚度薄、柔性高、导热性好的金属带材代替现有技术的单晶作为基底，又可应用于在被测件表面直接沉积薄膜制成集成的原子层热电堆传感器，为复杂外形表面的热流测试提供全新的技术手段。

附图说明

图1，制备ibad-mgo薄膜时样品基底与离子入射和蒸发mgo粒子入射方向相对位置示意图。

图2，测量激光感生电信号时样品的安装示意图。

图3，样品的激光感生电信号响应。

图4，(a)样品的xrd-2θ扫描；(b)样品mgo(002)晶面的xrd-ω扫描；(c)样品ybco(006)晶面的xrd-ω扫描。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

实施例：

在哈氏合金基带上制备大小为2mmx10mm，具有c轴倾斜于法线结构的热电各向异性yba2cu3o7-δ薄膜。

步骤1，在哈氏合金(hastelloyc-276)基带上进行抛光或制备溶液沉积平坦化涂层，5μmx5μm表面均方根粗糙度(rms)小于2nm。将之剪切成大小10mmx10mm作为样品基底。

步骤2，在基底上生长10nm的ibad-mgo薄膜。如图1，n为基底法线，mgo粒子入射与离子束入射方向处于同一平面，这个平面垂直于基底。mgo粒子入射角为40°，离子束入射角为5°，二者夹角45°。实验中原始气压4x10^-4pa下加入ar使离子源工作气压为2.8x10^-2pa；离子束能量800ev，束流120ma；mgo沉积速率0.25nm/s。

步骤3，在经过ibad-mgo处理的表面外延120nmmgo薄膜。实验中原始气压4x10^-4pa，加入o2气压为2.8x10^-2pa，基底加热温度为600℃。

步骤4，外延mgo后使用磁控溅射法生长300nmyba2cu3o7-δ薄膜，将样品剪切为大小2mmx10mm。

步骤5，在条状样品两端使用电阻蒸发ag薄膜作为测试所用的电极。

对上述制备好的样品进行激光感生电信号与xrd测试，结果如下：

样品如图2所示安装，脉冲激光垂直入射样品表面在样品上下表面产生热梯度，照亮区域为2mmx2mm，每次总能量0.4mj，间隔20ns。

用示波器(agilentdigitalstorageoscilloscope7052a)连接电极两端所得响应信号如图3，定义衰减值为峰值的1/e，衰减值水平线与信号的交点为响应上升的起点与下降的终点。信号达到峰值时间为0。信号峰值330mv，上升沿响应时间55ns，下降沿响应时间170ns。样品显示出原子层热电堆薄膜具有的热电各向异性，在热梯度下具有明显的信号响应和较短的响应时间。

对样品进行xrd的2θ和ω扫描。由图4(a)的2θ扫描知mgo(002)峰θ＝21.53°，ybco(006)峰θ＝23.35°。

由图4(b)的mgo(002)晶面的ω扫描知，ω扫描峰22.6°，偏移中心1.07°(θ＝21.53°,22.6°-21.53°＝1.07°)。

由图4(c)的ybco(006)晶面的ω扫描知，ω扫描峰25°，偏移中心1.65°(θ＝25°,25°-23.35°＝1.65°)。

本实施例样品的mgo具有c轴倾斜于基底法线的结构，在此基础上生长的ybco也具有c轴倾斜于基底法线的结构；激光感生电信号显示出薄膜具有的热电各向异性来源于这样的c轴倾斜结构；样品在热梯度下具有明显的信号响应和较短的响应时间。

综上可见，本发明在金属基带上的成功应用表明此技术路线适用于多晶和非晶的表面，不仅可以使用金属带材代替单晶作为基底，又可以应用于在被测件表面直接沉积薄膜制成集成的原子层热电堆传感器，解决了现有独立的单晶传感器在安装和测量上的困难，为复杂外形表面的热流测试提供全新的技术手段。