采用蒸发镀膜可控制备多级次Bi-Sb-Te倾斜柱阵列的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种采用简单的物理气相沉积制备多级次倾斜柱阵列的方法，特别设 及一种采用蒸发锻膜可控制备多级次Bi-Sb-Te倾斜柱阵列的方法。
【背景技术】
[0002] 目前，热电材料是一种能实现热能与电能相互转换的固体材料，具有结构比较简 单、无转动或移动等机械运动部件、高可靠性、无噪音、体积小、环境友好等优点，很适合于 制备小规模发电和局部制冷器件。蹄化祕基材料是目前最好的室溫热电材料，它们的商用 块体的热电品质因子ZT-般在1.0左右。根据理论与实验证明特殊结构低维纳米化是实现 热电材料性能突破的有效途径，特别通过对材料微观组织的一维阵列化，提高费米能附近 的电子态密度而提升蹄化祕基热电材料的Seebeck系数;增加材料的面体比而改善其表面 态，有益于运类拓扑绝缘体结构材料的电子传输，改善材料的电导;增加界面而提高声子散 射率，导致大幅降低材料的热导率。因此，材料微观组织的一维阵列化是实现蹄化祕基热电 材料性能突破的重要途径，也为开发新型具有特殊结构的高效热电微器件提供一条新的思 路。
[0003] -直W来有多种方法对蹄化祕基材料纳米结构进行制备，包括电化学沉积、气- 液-固催化生长、光刻和各向异性刻蚀技术等方法，运些合成方法主要的缺点是它们工艺太 复杂W及条件苛刻，并且反应产物不纯或需要去除模板，很难用于器件应用中。况且，运些 方法几乎不可能大规模组装成有序的多级次柱阵列基于纳米线，新颖复杂的多级次结构影 响材料中载流子与声子的传输，从而可能使材料有优异的热电性能。在我们W前的工作中， 采用简便的物理气相沉积已成功制备出多级次的Sb2Te3纳米线束阵列，不要使用任何封端 剂或硬质模板，而运仍然是挑战，开发一种简单适用的方法可控制备多级次Bi1.5Sbo.5Te3倾 斜柱阵列。根据我们所了解的，新颖多级次Bi1.5Sbo.5Te3柱阵列结构到目前还未见报道，更 没有倾斜生长的多级次Bii.5訊o.sTes柱阵列结构的专利与文献报道。
[0004] 因此，提供一种工艺简单、步骤合理、效果显著的采用蒸发锻膜可控制备多级次 Bil. 5訊o.sTes倾斜柱阵列的方法，是该领域技术人员当前急待解决的难题之一。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种工艺简单、步骤合理、效果显著的 采用蒸发锻膜可控制备多级次Bi-Sb-Te倾斜柱阵列的方法。
[0006] 为实现上述目的本发明所采用的技术方案是:一种采用蒸发锻膜可控制备多级次 Bi-Sb-Te倾斜柱阵列的方法，其特征在于制备步骤如下： (1) 将质量百分比纯度为99.99%的811.556().5了63粉末在81化~10 1化压力下压制成 Bi1.5Sbo.5Te3块体;所述Bi1.5Sbo.5Te3粉末的平均粒径小于50μπι; (2) 基板在丙酬、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗5min~lOmin后取出，并用高纯 氮气(质量百分比纯度99.999%)吹干； (3) 将ο. Ig~ο. 2g的Bii.5Sbo.5Te3块体放入真空锻膜机的真空室的鹤舟中，把基板放置 于样品台中央，调节样品台与水平面的夹角θ=5°~45%调苄基板中央与鹤舟的距离d=12 cm~18 cm； (4) 向真空室内充入2min~5 min高纯氮气（质量百分比纯度99.999%)后停止，随后对 真空室抽真空，使真空室内真空度达到2.ΟΧΙΟ-4化~5.0 Xl〇-4Pa; (5) 真空度达到2.0 X 1〇-4化~5.0 X 1〇-4化时，打开加热控溫电源，设定加热溫度250 °C~350°C，开始对基底升溫； (6) 溫度升至预定溫度250°C~350°C后，在PID控制器上设定沉积速率12皿/min~20 nm/min，沉积时间2 h~3 h; (7) 开启交流电源，调节输出电流160 A~170 A;开始在基板上沉积制备多级次 Bi1.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列； (8) 制备完毕，关闭交流电源，随真空锻膜机冷却至20°C~40°C后，取出制得在基板上 沉积具有多级次倾斜柱阵列结构的Bii.5訊o.sTes。
[0007]本发明的有益效果是:为了解决多级次Bi1.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列热电材料在合成 方面存在的诸多问题，通过调节交流电源输出电流的大小、样品台与水平面夹角W及基底 溫度，在真空室内蒸发Bil. 5訊0. sTe3原料，直接在玻璃基板上沉积出具有Bil. 5訊0. sTe3倾斜柱 阵列结构。整个沉积工艺过程简单，成本低廉，易于规模化生产，所得到的多级次 Bii.5Sbo.5Te池阵列倾斜生长，且纳米线、柱阵列结构均一，有效的保证了纳米相的均匀分 布。性能测试表明具有多级次阵列结构的Bii.5Sbo.5Te3材料性能优异，并且倾斜生长的多级 次柱阵列结构材料性能较竖直生长的多级次柱阵列结构材料性能有显著地提升，因此引入 倾斜生长的多级次柱阵列结构是一种提高热电材料性能的有效途径。利用简便的真空蒸发 锻膜法可W大规模的加工出Bii.5Sbo.5Te3多级次倾斜柱阵列，方法新颖、简单，生产环境条 件宽松，具有技术的原创性，有着非常显著的实用价值，应用于产业化W方便加工成器件， 可创造出极大的经济效益。
【附图说明】
[000引图1是本发明实施例1制得的多级次Bil. 5訊0.5化3倾斜柱阵列的XRD; 图2是本发明实施例1制得的多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列表面的沈M; 图3是本发明实施例1制得的多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列侧面的沈M。
[0009]图4是本发明实施例2制得的多级次Bi1.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列的邸D; 图5是本发明实施例2制得的多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列表面的沈M; 图6是本发明实施例2制得的多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列侧面的沈M。
[0010]图7是本发明实施例3制得的多级次Bi1.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列的邸D; 图8是本发明实施例3制得的多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列表面的沈M; 图9是本发明实施例3制得的多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列侧面的沈M。
[00川图10是本发明实施例4制得的多级次Bi1.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列的邸D; 图11是本发明实施例4制得的多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列表面的沈M; 图12是本发明实施例4制得的多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列侧面的沈M。
【具体实施方式】
[0012] W下结合附图和较佳实施例，对依据本发明提供的【具体实施方式】、特征详述如下： 本发明应用真空蒸发锻膜法制备多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列，包括有下列制备步 骤： (〇将质量百分比纯度为99.99%的811.556().5了63粉末在8~10 1化压力下压制成 Bi1.5Sbo.5Te3块体;所述Bi1.5Sbo.5Te3粉末的平均粒径小于50皿； (2) 基板在丙酬、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗5~10 min后取出，并用高纯氮 气(质量百分比纯度99.999%)吹干； (3) 将0.1~0.2g的Bii.5Sbo.5Te3块体放入真空锻膜机的真空室的鹤舟中，把基板放置 于样品台中央，调节样品台与水平面的夹角9=5~45%调苄基板中央与鹤舟的距离d=12~ 18 cm； (4) 向真空室内充入2~5 min高纯氮气(质量百分比纯度99.999%)后停止，随后对真空 室抽真空，使真空室内真空度达到2.0 X 10-4~5.0 X l(T4Pa; (5) 真空度达到2.0 Χ10-4~5.0 Χ10-4化时，打开加热控溫电源，设定加热溫度250~ 350°C，开始对基底升溫； (6) 溫度升至预定溫度250~350°C后，在PID控制器上设定沉积速率12~20 nm/min，沉 积时间2~3 h; (7) 开启交流电源，调节输出电流160~170 A;开始在基板上沉积制备多级次 Bi1.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列； (8) 制备完毕，关闭交流电源，随真空锻膜机冷却至20~40°C后，取出制得在基板上沉 积具有多级次倾斜柱阵列结构的Bii.5Sbo.5Te3。
[OOU]实施例1 在玻璃基板上蒸发锻膜制备多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列； (1) 将质量百分比纯度为99.99%的亂.556〇.5了63粉末在81?曰压力下压制成亂.55130.5了63 块体;所述Bii.5訊Q.sTes粉末的平均粒径小于50]im; (2) 玻璃基板(或称玻璃板)在丙酬、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗5min后取出， 并用高纯氮气(质量百分比纯度99.999%)吹干； (3) 将O.lg的Bii.5訊o.sTes块体放入真空锻膜机的真空室的鹤舟中，把玻璃基板放置于 样品台中央，调节样品台与水平面的夹角θ=5%调节玻璃基板中央与鹤舟的距离d = 15 cm; (4) 向真空室内充入3min高纯氮气后停止，随后对真空室抽真空，使真空室内真空度达 到2.0X10-4 Pa; (5) 真空度达到2.0 X 10-4化时，打开加热控溫电源，设定加热溫度300°C，开始对基底 升溫； (6) 溫度升至预定溫度300°C后，在PID控制器上设定沉积速率15 nm/min，沉积时间2 h; (7) 开启交流电源，调节输出电流165 A;开始在玻璃基板上沉积制备多级次 Bi1.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列； (8) 制备完毕，关闭交流电源，随真空锻膜机冷却至25°C后，取出制得在玻璃基板上沉 积具有多级次倾斜柱阵列结构的Bii.5Sbo.5Te3。
[0014] 采用X射线衍射仪(Rigaku D/MAX 2200)对实施例1制得的多级次Bi1.5Sbo.5Te3倾 斜柱阵列进行物相分析，如图1所示，说明制得的多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列为 Bi1.5Sbo.5Te3单质，且沿(0 1 5)晶向择优生长。
[0015] 采用扫描电子显微镜（FE-SEM，Sirion 200)下观察实施例1制得的多级次 Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列，其表面形貌如图2,可知由纳米或亚微米级柱阵列构成，从断面可 W看出，Bii.5Sbo.5Te3柱阵列近似竖直生长，柱阵列中的纳米线直径为20~50 nm，线由很多 细小纳米点或纳米颗粒组成，线再组装成柱，扫描电镜照片如图3所示。Bii.5Sbo.5Te池阵列 结构均一，有效的保证了纳米相的均匀分布。
[0016] 实施例2 在玻璃基板上蒸发锻膜制备多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列； (1) 将质量百分比纯度为99.99%的611.556〇.5了63粉末在101?曰压力下压制成 Bi1.5Sbo.5Te3块体;所述Bi1.5Sbo.5Te3粉末的平均粒径小于50皿； (2) 玻璃基板(或称玻璃板)在丙酬、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗8min后取出， 并用高纯氮气(质量百分比纯度99.999%)吹干； (3) 将O.lg的Bii.5訊o.sTes块体放入真空锻膜机的真空室的鹤舟中，把玻璃基板放置于 样品台中央，调节样品台与水平面的夹角θ=30°;调节玻璃基板中央与鹤舟的距离d= 15 cm； (4) 向真空室内充入5min高纯氮气后停止，随后对真空室抽真空，使真空室内真空度达 到2.0X10-4 Pa; (5) 真空度达到2.OX 10-4化时，打开加热控溫电源，设定加热溫度300°C，开始对基底 升溫； (6) 溫度升至预定溫