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。
[0017]采用X射线衍射仪对实施例2制得的多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜阵列进行物相分析， 如图4所示，说明制得的多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列为Bii.5Sbo.5Te3单质，且沿(0 1 5)晶 向择优生长。
[0018] 采用扫描电子显微镜下观察实施例2制得的多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列，其表 面形貌如图5,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柱阵列倾 斜生长，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6所示。Bii.5Sbo.5Te3柱阵列结构均一，有效的保证了纳米相的 均匀分布。
[0019] 实施例3 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91?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=45°;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2.5X10-4 Pa; (5) 真空度达到2.5 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30°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。
[0020] W上实施例3是本发明技术方案的较佳举例。
[0021] 采用X射线衍射仪对实施例3制得的多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜阵列进行物相分析， 如图7所示，说明制得的多级次Bi1.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列为Bi1.5Sbo.5Te3单质，且沿(0 1 5)与 (1 0 10)晶向择优生长。
[0022] 采用扫描电子显微镜下观察实施例3制得的多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列，其表 面形貌如图8,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柱阵列倾 斜生长，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9所示。Bii.5Sbo.5Te3柱阵列结构均一，有效的保证了纳米相的 均匀分布。
[0023] 实施例4 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91?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lOmin后取 出，并用高纯氮气(质量百分比纯度99.999%)吹干； (3) 将0.2g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=45°;调节玻璃基板中央与鹤舟的距离d= 18 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2.5X10-4 Pa; (5) 真空度达到2.5 X 10-4化时，打开加热控溫电源，设定加热溫度350°C，开始对基底 升溫； (6) 溫度升至预定溫度350°C后，在PID控制器上设定沉积速率18 nm/min，沉积时间3 h; (7) 开启交流电源，调节输出电流170 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30°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。
[0024] 采用X射线衍射仪对实施例4制得的多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜阵列进行物相分析， 如图10所示，说明制得的多级次Bi1.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列为Bi1.5Sbo.5Te3单质，且沿(0 1 5) 晶向择优生长。
[0025] 采用扫描电子显微镜下观察实施例4制得的多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列，其表 面形貌如图11，可知由纳米或亚微米级颗粒构成，从断面可W看出，Bi1.5Sbo.5Te3柱阵列倾 斜生长，柱阵列中的柱直径为50~200 nm，柱由很多细小纳米点或纳米颗粒组成，扫描电镜 照片如图12所示。Bii.5Sbo.5Te3柱阵列结构均一，有效的保证了纳米相的均匀分布。本发明 是采用简单的物理气相沉积制备多级次（多尺寸与多维度的点、线、柱化ii.5Sbo.5Te3倾斜柱 阵列方法，主要特点如下： (1)采用蒸发锻膜法制备的新颖多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列结构，方便加工成器 件，可W与其它微加工工艺完美结合。利用现代测试手段，系统研究多级次倾斜柱阵列结构 对材料宏观热电性能的影响，建立相应的形成机理模型、结构一性能关系，为研制和开发新 型高ZT常溫区用热电材料和器件提供新的思路。
[0026] (2)性能测试表明多级次Bii.5Sbo.5Te3倾斜柱阵列性能优异，且具有倾斜生长的多 级次柱阵列结构材料性能较普通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。
[0027] (3)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，有显著的实用价值和经济效 益。
[00%]具有多级次倾斜柱阵列结构的Bii.5Sbo.5Te3材料性能测试结果(见表1)相比最近 关于Bii.sSbo.sTe3材料文献报道结果，例如:Y.化等在溫度442K取得的最高热电品质因子 ZTmax=0.78(Intermetallics，66，40-47，2015);Υ. Pan等在溫度323K获得ΖΤ=0.96 (Materials Science and lingineering Β, 197, 75-81, 2015);D. Suh等在溫度330Κ也 取得了ΖΤ=0.78(化no Ene巧y，13, 67-76, 2015)，运表明我们的多级次倾斜柱阵列结构 Bii.5Sbo.5Te3材料性能优异。运是由于高定向晶面、线与柱的阵列化构建一条相对优化的途 径为载流子在面内方向传输;而且该结构膜具有多尺度晶粒负责散射各种波长的声子，在 面内方向它包含很多间隙与高密度的粗糖界面，运些产生热阻致使此新颖柱阵列有低的热 导;尤其倾斜多级次阵列结构化过程诱导了更有用的变化在界面中，运些是导致倾斜生长 的多级次柱阵列结构材料面内性能优异的根本原因，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。
[0029] 表1倾斜生长的多级次Bii.5Sbo.5Te3柱状阵列在室溫下（300K)测试的面内热电性 能，每个值为五次测试结果平均值。
[0030]
上述参照实施例对采用蒸发锻膜可控制备多级次Bi-Sb-Te倾斜柱阵列的方法进行的 详细描述，是说明性的而不是限定性的，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应 属本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种采用蒸发镀膜可控制备多级次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%的別1.5313().5了63粉末在81〇^~10 1〇^压力下压制成 BiuSbo.sTes块体;所述Bii.5Sbo.5Te3粉末的平均粒径小于50μπι; (2) 基板在丙酮、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O.lg~0.2g的BiuSbo.sTes块体放入真空镀膜机的真空室的钨舟中，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°;调苄基板中央与妈舟的距离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2.0 X 10_4 Pa~5.0 X 10_4Pa; (5) 真空度达到2.0 X 10_4 Pa~5.0 X 10_4Pa时，打开加热控温电源，设定加热温度250 °C~350°C，开始对基底升温； (6) 温度升至预定温度250°C~350°C后，在PID控制器上设定沉积速率12 nm/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，随真空镀膜机冷却至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Bh. 5Sb〇. 5Te3。
【专利摘要】本发明涉及一种采用蒸发镀膜可控制备多级次Bi<b>-</b>Sb<b>-</b>Te倾斜柱阵列的方法，主要步骤如下：将质量百分比纯度为99.99%的Bi1.5Sb0.5Te3粉末在8～10MPa压力下压制成Bi1.5Sb0.5Te3块体；将0.1～0.2g的Bi1.5Sb0.5Te3块体放入真空镀膜机的真空室的钨舟中；向真空室内充入2～5？min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2.0×10－4～5.0×10－4？Pa；打开加热控温电源，温度升至预定温度250～350℃后，在PID控制器上设定沉积速率12～20？nm/min，沉积时间2～3？h；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Bi1.5Sb0.5Te3倾斜柱阵列。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Bi1.5Sb0.5Te3柱阵列倾斜生长，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，应用效果非常显著。
【IPC分类】C23C14/26, B82Y40/00, C23C14/06, C01B19/00
【公开号】CN105671491
【申请号】CN201610233479
【发明人】谭明, 郝延明, 蔡元学, 秦月婷, 谢宁, 吴泽华
【申请人】天津科技大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年4月15日