Si基热电薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及热电功能材料领域，尤其设及一种Ag渗杂MgzSi基热电薄膜及其制备 方法。
【背景技术】
[0002] 热电材料是一种能够实现热能和电能直接相互转换的绿色环保型功能材料；W热 电材料制作的溫差电器件具有无任何机械转动部分、工作无噪声、使用寿命长、不存在污染 环境问题等优点，可广泛应用于溫差发电器、热电制冷器W及传感器等领域。因此制备高性 能的热电材料，不但符合绿色环保和低碳经济的要求，同时具有重要的科学意义和广泛的 应用前景。
[0003] 当前，由于受热电材料性能的限制，热电器件的应用还远没有达到取代机械制冷 机的地步，运已成为热电器件大规模应用的瓶颈，因此高性能热电材料是当前国际材料研 究领域的热点课题之一。热电材料的性能主要由无量纲品质因子ZT值表征：ZT=T〇a ; 其中T为绝对溫度，O为材料的电导率，a为Seebeck系数，K为热导率。
[0004] 近年来研究发现热电材料薄膜化有利于提高热电材料的热电特性，主要原因在 于：一、可通过维数的降低，形成界面散射效应从而降低材料的热导率，增大材料的热电优 值，当薄膜厚度在纳米量级时还能产生量子禁闭效应提高材料的功率因子。二、薄膜化可提 高其响应速度、能量密度和小型静态局域化的能力。除此之外，薄膜化的热电材料在转化效 率方面和成本方面，都有很大的优势。因此对于MgzSi基热电薄膜的研究具有重要的意义。
[0005] MgzSi热电材料是一种应用于中溫区的具有应用前景的热电材料之一，其热电性 能的优化与提高是目前国际热电材料科学的前沿课题。目前对于MgzSi热电薄膜的制备研 究只有少量的报道，效果也不甚理想；主要是目前简单的制备技术并不能制备出多渗杂、高 性能的MgzSi基热电薄膜材料。复杂的工艺虽然能够制备出优值较高的MgzSi基热电薄膜， 但其制备成本高、工艺复杂都无法满足其产业化的需求。而MgzSi需要相关材料的渗杂，才 能够实现热电性能较大的提高；目前最常用的渗杂方式是先将所需要渗杂的材料与MgzSi 混合制备成同一祀材，再锻制成薄膜，运种方式成本高、工序繁琐、时间长，同时祀材与膜的 化学成分并不相符、可控性差。因此如何简化渗杂型MgzSi基热电薄膜的合成制备工艺，实 现MgzSi基热电薄膜的最优渗杂，获取结构稳定、性能优越的MgzSi基热电薄膜的关键技术， 是目前的研究重点。
[0006] 理论计算和实验结果均表明Ag是重要的P型渗杂元素，当Ag固溶于MgzSi晶格 中，会取代Si4的位置，引入负电中屯、和空穴，半导体的导电机理从电子导电转变为空穴导 电，材料从n型转变为P型；另外，薄膜低维化的量子效应进一步提升其热电性能。目前，Ag 渗杂MgzSi基热电薄膜仍未见报道。
【发明内容】
[0007] 为解决上述问题，本发明提供了一种Ag渗杂MgzSi基热电薄膜及其制备方法，旨 在解决现有的Ag渗杂MgzSi基热电薄膜制备方法工艺繁琐、效率低、可控性差的问题；通过 双祀循环瓣射，可精准的控制瓣射功率、瓣射时间比等参数来调整Ag的渗杂量，简化了制 备工艺，降低了成本，可满足大规模生产需要。
[0008] 本发明的技术方案如下： 一种Ag渗杂MgzSi基热电薄膜的制备方法，采用磁控瓣射沉积法在绝缘衬底上进行双 祀循环瓣射，其中，一祀位放MgzSi祀，电源选用射频电源；另一祀位放Ag单质祀，电源选用 直流电源；先锻一层MgzSi,接着锻Ag层，再锻一层MgzSi,W此为一周期；按此周期循环瓣 射多次，制备得到具有叠层结构的薄膜；最后采用真空退火获得Ag渗杂MgzSi基热电薄膜。
[0009] 所述的双祀循环瓣射条件为：本底真空度为6. 5X10 4~1. 0X10 5Pa,工作气体 为高纯Ar气，Ar气流量10~50seem,工作气压为0. 1~5. 0Pa。
[0010] 双祀循环瓣射的周期为1~24次，Ag和MgzSi的瓣射时间比为1:4~1:60,总瓣 射时间和为0. 5~1. 5h。
[0011] M拓Si祀射频瓣射功率为40~200W，Ag祀直流瓣射功率为20~150W。
[0012] 在瓣射完成后，关闭瓣射源，在本底真空度低于5.OXlO4化的真空室中通入高纯 Ar气，关小抽气阀口，使Ar气的气氛维持在1~50Pa;在试样不出炉的情况下采用真空退 火制备得到Ag渗杂MgzSi基热电薄膜。
[0013] 所述退火溫度为100~500°C，退火时间为0. 5h~5h。
[0014] 绝缘衬底使用前应依次采用丙酬、酒精进行超声波清洗，超声波清洗时间分别为 10 ~30min。
[0015] 所述绝缘衬底为绝缘玻璃、单晶Si、石英、AI2O3中的一种。
[001引Ag渗杂MgzSi基薄膜的热电性能优于现有的MgzSi材料，其机理是当Ag固溶于MgzSi晶格中，会取代Si4的位置，引入负电中屯、和空穴，半导体的导电机理从电子导电转 变为空穴导电，材料从n型转变为P型；另外，薄膜低维化的量子效应进一步提升其热电性 能。
[0017] 本发明的显著优点在于： 本发明利用Ag渗杂获得P型MgzSi基材料并通过薄膜低维化进一步提高其热电性能； 采用双祀循环瓣射沉积方法制备Ag渗杂MgzSi基热电薄膜，可控性强、薄膜具有良好的附 着性和重复性，可满足大规模生产需要，并且可精准的控制瓣射功率、瓣射时间比等参数来 调整Ag的渗杂量，简化了制备工艺，降低了成本，可满足大规模生产需要。
【附图说明】
[001引图1为本发明所述的Ag渗杂MgzSi基热电薄膜的沉积层示意图。
【具体实施方式】
[0019] 本发明提供一种Ag渗杂MgzSi基热电薄膜的制备方法，为使本发明的目的、技术 方案及效果更加清楚、明确，W下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用W解释本发明，并不用于限定本发明。
[0020] 本发明所提供的一种Ag渗杂MgzSi基热电薄膜的制备方法，其包括步骤：采用磁 控瓣射沉积法进行双祀循环瓣射，其中，一祀位放MgzSi祀，电源选用射频电源；另一祀位放 Ag单质祀，电源选用直流电源。先在衬底上锻一层MgzSi，接着锻一层薄的Ag层，再锻一层MgzSi;如此往复多次，从而制备得到具有叠层结构的薄膜，最后采用真空退火获得Ag渗杂 MgzSi基热电薄膜。Ag渗杂MgzSi基热电薄膜沉积层示意图如图1所示。
[0021] 下面通过若干实施例来说明本发明的Ag渗杂MgzSi基热电薄膜的制备方法。
[0022] 实施例1 1) 采