基于铝/纳晶硅/铜薄膜的热电材料及其制备方法与流程

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种薄膜热电材料，特别涉及基于铝/纳晶硅/铜薄膜的热电材料及其制备方法。

背景技术：
近年来环境污染、能源危机及某些器件小型化的要求(如制冷器和发电机的小型化等)等问题日益凸显，迫切需要新的能源转换技术解决这些问题。热电转换是极具潜能的能源转换技术之一。热电材料是一种能将热能和电能互相转换的功能材料，具有无污染、无机械传动等优点，可利用其制备的微型元件用于制备微型电源、微区冷却、光通信激光二极管和红外线传感器的调温系统。目前已有的热电材料有半导体合金热电材料(如Bi2Te3、PbTe、SiGe等)、钴酸盐类氧化物热电材料(如NaCo2O4、Ca3Co2O9等)、金属合金固溶体热电材料(如AgTiTe、ZrNiSn、TiNiSn等)、金属硅化物型热电材料(如FeSi2、MnSi2等)、Skutterudite热电材料(其通式为AB3，A为金属元素，如Ir、Co、Rh、Fe等，B是V族元素，如As、Sb、p等，如CoSb3)。上述热电材料中，有些材料含有有毒元素(如Bi、Pb、As、Sb、P等)，有些在地球上含量少，有些制备工艺复杂。因此，有必要探索廉价、资源丰富、制备简单和环境友好的热电材料。

技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是克服上述热电材料存在的问题，提供一种基于铝/纳晶硅/铜薄膜的热电材料及其制备方法。解决上述技术问题所采用的技术方案是：上述基于铝/纳晶硅/铜薄膜的热电材料由下述方法制备得到：1、利用热蒸发法在玻璃衬底上沉积一层厚度为60～140nm的铝薄膜。2、利用等离子增强化学气相沉积法在铝薄膜上沉积一层厚度为150～350nm的氢化非晶硅薄膜。3、利用热蒸发法在氢化非晶硅薄膜上沉积一层厚度为35～90nm的铜薄膜，得到铝/氢化非晶硅/铜薄膜材料。4、将铝/氢化非晶硅/铜薄膜材料在氮气气氛中500～600℃退火40～60分钟，得到基于铝/纳晶硅/铜薄膜的热电材料。上述的步骤1中，优选利用热蒸发法在玻璃衬底上沉积一层厚度为80nm的铝薄膜，热蒸发法的系统本底真空为3×10-4Pa。上述的步骤2中，优选利用等离子增强化学气相沉积法在铝薄膜上沉积一层厚度为200nm的氢化非晶硅薄膜，等离子增强化学气相沉积法的系统本底真空为2×10-4Pa，沉积时电极间距为1.9cm，衬底温度为160℃，工作压强为60Pa，功率为8W，SiH4流量为9sccm，H2流量为60sccm。上述的步骤3中，优选利用热蒸发法在氢化非晶硅薄膜上沉积一层厚度为50nm的铜薄膜，铜薄膜面积小于氢化非晶硅薄膜面积，热蒸发法的系统本底真空为3×10-4Pa，得到铝/氢化非晶硅/铜薄膜材料。本发明具有的有益效果是：本发明的热电材料所需材料储量丰富，价格低廉，不含有毒元素，制备工艺简单，且相对于典型的热电材料(如：Bi2Te3、Ca3Co4O9等)低温时(100℃以下)短路电流、开路电压较大。附图说明图1是铝/氢化非晶硅/铜薄膜材料的结构示意图。图中，1是玻璃衬底，2是铝薄膜，3是氢化非晶硅薄膜，4是铜薄膜。图2是实施例1制备的热电材料的开路电压和短路电流随温度的变化关系图。图3是实施例2制备的热电材料的开路电压和短路电流随温度的变化关系图。图4是实施例3制备的热电材料的开路电压和短路电流随温度的变化关系图。图5是实施例4制备的热电材料的开路电压和短路电流随温度的变化关系图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。实施例11、将玻璃片衬底依次在丙酮、乙醇中超声清洗10分钟，然后依次用70℃的RCA1、RCA2溶液浸泡20分钟，再用去离子水清洗干净，最后用氮气吹干。如图1所示，利用热蒸发法在玻璃衬底上沉积一层厚度为80nm的铝薄膜，热蒸发系统本底真空为3×10-4Pa。2、利用等离子增强化学气相沉积法在铝薄膜上沉积一层厚度为200nm的氢化非晶硅薄膜，等离子增强化学气相沉积法的系统本底真空为2×10-4Pa，沉积时电极间距为1.9cm，衬底温度为160℃，工作压强为60Pa，功率为8W，SiH4流量为9sccm，H2流量为60sccm。3、利用热蒸发法在氢化非晶硅薄膜上沉积一层厚度为50nm的铜薄膜，热蒸发系统本底真空为3×10-4Pa，铜薄膜面积小于氢化非晶硅薄膜面积，得到铝/氢化非晶硅/铜薄膜材料。4、将铝/氢化非晶硅/铜薄膜材料在氮气气氛中550℃退火50分钟，得到基于铝/纳晶硅/铜薄膜的热电材料。经测试，该热电材料的铜薄膜和纳晶硅薄膜之间有横向电流，该热电材料的短路电流和开路电压随环境温度的变化关系如图2所示。由图可见，在绝对温度293K时，其短路电流与开路电压分别是0.05μA、0.222mV；在311K时，其短路电流与开路电压分别是0.30μA、3.75mV；在328K时，其短路电流与开路电压分别是0.68μA、9.2mV；在342K时，其短路电流与开路电压分别是0.87μA、12.8mV；在358K时，其短路电流与开路电压分别是1.14μA、17.9mV；在370K时，其短路电流与开路电压分别是1.48μA、23.0mV。实施例2本实施例中，铝薄膜的沉积厚度为60nm、氢化非晶硅薄膜的沉积厚度为150nm、铜薄膜的沉积厚度为90nm，其他步骤与实施例1相同，得到基于铝/纳晶硅/铜薄膜的热电材料。经测试，该热电材料的铜薄膜和纳晶硅薄膜之间有横向电流，该热电材料的短路电流和开路电压随环境温度的变化关系如图3所示。由图可见，在绝对温度293K时，其短路电流与开路电压分别是0.006μA、0.41mV；在311K时，其短路电流与开路电压分别是0.019μA、1.31mv；在328K时，其短路电流与开路电压分别是0.047μA、6.94mV；在342K时，其短路电流与开路电压分别是0.075μA、15.56mV；在358K时，其短路电流与开路电压分别是0.111μA、18.14mV；在370K时，其短路电流与开路电压分别是0.157μA、39mV。实施例3本实施例中，铝薄膜的沉积厚度为100nm、氢化非晶硅薄膜的沉积厚度为150nm、铜薄膜的沉积厚度为35nm，其他步骤与实施例1相同，得到基于铝/纳晶硅/铜薄膜的热电材料。经测试，该热电材料的铜薄膜和纳晶硅薄膜之间有横向电流，该热电材料的短路电流和开路电压随环境温度的变化关系如图4所示。由图可见，在绝对温度293K时，其短路电流与开路电压分别是0.001μA、1.30mV；在311K时，其短路电流与开路电压分别是0.005μA、3.44mV；在328K时，其短路电流与开路电压分别是0.013μA、6.82mV；在342K时，其短路电流与开路电压分别是0.019μA、11.32mV；在358K时，其短路电流与开路电压分别是0.029μA、20.86mV；在370K时，其短路电流与开路电压分别是0.039μA、26.36mV。实施例4本实施例中，铝薄膜的沉积厚度为140nm、氢化非晶硅薄膜的沉积厚度为350nm、铜薄膜的沉积厚度为50nm，其他步骤与实施例1相同，得到基于铝/纳晶硅/铜薄膜的热电材料。经测试，该热电材料的铜薄膜和纳晶硅薄膜之间有横向电流，该热电材料的短路电流和开路电压随环境温度的变化关系如图5所示。由图可见，在绝对温度293K时，其短路电流与开路电压分别是0.002μA、0.42mV；在311K时，其短路电流与开路电压分别是0.014μA、1.24mV；在328K时，其短路电流与开路电压分别是0.032μA、3.13mV；在342K时，其短路电流与开路电压分别是0.046μA、4.76mV；在358K时，其短路电流与开路电压分别是0.063μA、12.74mV；在370K时，其短路电流与开路电压分别是0.080μA、13.21mV。实施例5在实施例1～4的步骤4中，将铝/氢化非晶硅/铜薄膜材料在氮气气氛中500℃退火60分钟，其他步骤与相应实施例相同，得到基于铝/纳晶硅/铜薄膜的热电材料。实施例6在实施例1～4的步骤4中，将铝/氢化非晶硅/铜薄膜材料在氮气气氛中600℃退火40分钟，其他步骤与相应实施例相同，得到基于铝/纳晶硅/铜薄膜的热电材料。