一种c轴取向生长的SnSb2Te4热电薄膜及其制备方法

本发明涉及热电薄膜材料，具体地说是一种c轴取向生长的snsb2te4热电薄膜及其制备方法。

背景技术：

1、随着全球经济的发展，能源短缺及因化石能源使用带来的环境污染问题日益突出，亟需发展新的清洁能源转换技术。热电材料及相应的热电转换技术因其可通过seebeck效应和peltier效应实现热能和电能的相互转换，在工业废热发电、汽车尾气余热发电、微型移动温差电源、半导体制冷等领域具有广阔的应用前景。热电材料的性能常采用无量纲热电优值zt来衡量，其定义式为zt＝(s2σ/κ)t。其中s是材料的塞贝克(seebeck)系数，σ是材料的电导率，κ是材料的热导率，t是绝对温度。其中，电学性能部分参量s2σ称为功率因子。理想的热电材料应该具有较高的功率因子和较小的热导率。

2、三元金属硫属化合物snsb2te4(简写：sst)是一种层状结构材料(三方晶系结构，空间群为晶格常数)，因其具有较高的电导率σ和较低的热导率κ，在热电领域具有潜在的应用前景。目前，国内外对snsb2te4热电性能的研究几乎全部集中在三维块体材料上，对二维薄膜材料的研究非常少，尚未有择优取向薄膜的相关研究报道。相比于三维块体材料，二维薄膜材料更易实现热电器件的集成化，在微区热电发电及制冷领域具有块体材料无可替代的优势。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种c轴取向生长的snsb2te4热电薄膜及其制备方法，以提供一种具有结晶质量高、成分均匀、易于控制、工艺简单等优点的snsb2te4热电薄膜制备方法。

2、本发明是这样实现的：

3、一种c轴取向生长的snsb2te4热电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

4、(a)制备靶材：①将sn(99.999％)、sb(99.999％)、te(99.999％)粉末按照计算好的配比混合均匀，摩尔计量配比为sn:sb:te＝1:2:4；②将均匀混合的粉末放入石英管进行真空封管；③将真空封管后的石英管放入马弗炉中进行熔融烧结形成铸锭；④将烧结后的铸锭进行粉碎、研磨成粉；⑤将步骤④所得粉末采用放电等离子体烧结技术进行烧结压制，制得snsb2te4多晶靶材。

5、(b)清洗基片：采用超声波清洗方法去除基片表面油脂等杂质。

6、(c)放置靶材：将snsb2te4靶材安放在脉冲激光沉积设备外延室的靶托上。

7、(d)放置基片：将清洗干净的基片用银胶粘在样品托中心，送入外延室加热台。

8、(e)抽真空：将外延室背底真空抽至小于或等于4×10-4pa。

9、(f)基片升温：运行升温程序，以10℃/min的速度对基片进行加热，使基片温度达到设定温度。

10、(g)调节压强：基片温度达到设定温度后，向外延室充入高纯氩气(99.999％)，通过调节充气和抽气阀门大小，使氩气动态平衡气压保持设定压强并使之稳定。

11、(h)沉积薄膜：用脉冲激光轰击snsb2te4靶材进行表面预溅射，以去除靶材表面杂质，5～10min后移开遮挡基片的挡板，在单晶基片上沉积snsb2te4薄膜。

12、(i)冷却降温：溅射结束后，在真空中自然冷却降至室温。

13、(j)取样品：向外延室充气后，取出所得snsb2te4薄膜。

14、进一步的，步骤(a)中，石英管中的粉末在马弗炉中的烧结温度设定为1150℃。

15、进一步的，步骤(a)的步骤⑤中，所述粉末在放电等离子体烧结技术过程中，烧结压强为50mpa，烧结温度为500℃，烧结时间为7min。

16、进一步的，步骤(b)中，所述基片为铝酸镧(化学分子式：laalo3，简写：lao)、钛酸锶(化学分子式：srtio3，简写：sto)、硅片(化学分子式：si)、铝酸锶钽镧(化学分子式：srlaalo4)、氧化镁(化学分子式：mgo)或蓝宝石(化学分子式：al2o3)等单晶基片，晶向公差为±0.5°，尺寸为10mm×2.5mm，厚度为0.5mm，

17、进一步的，所述步骤(b)中，清洗基片方式为：将基片依次放于丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗10min。

18、进一步的，步骤(c)和(d)中，snsb2te4靶材和单晶基片之间的距离为50mm。

19、进一步的，步骤(f)中，使基片的温度升温至250℃～300℃。

20、进一步的，步骤(g)中，处于动态平衡的氩气压强为0.1pa。

21、进一步的，步骤(h)中，所述脉冲激光为xecl准分子脉冲激光，波长为308nm，脉宽为28ns。轰击到snsb2te4靶材上的能量密度为1.5mj/cm2，频率为5hz。

22、进一步的，步骤(h)中，所述薄膜厚度是通过沉积时间控制的，沉积速率约为0.07nm/min。

23、本发明采用脉冲激光沉积技术制备得到c轴择优取向的snsb2te4薄膜，通过调控基片温度、沉积压强、沉积时间、激光频率和更换基片材料等方式，实现对薄膜表面形态、择优取向、结晶质量、晶粒大小和生长速率的控制。基于脉冲激光沉积技术制备的snsb2te4薄膜还具有工艺简单、可重复性好、结晶质量高、颗粒大小和元素分布均匀、膜厚和形貌可控度高及热电性能良好等优点，从而在热电薄膜器件和微电子薄膜器件等领域具有广阔应用前景。

技术特征：

1.一种c轴取向生长的snsb2te4热电薄膜的制备方法，其特征是，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的c轴取向生长的snsb2te4热电薄膜的制备方法，其特征是，步骤(a)的步骤③中，设定粉末在马弗炉中的烧结温度为1150℃。

3.根据权利要求1所述的c轴取向生长的snsb2te4热电薄膜的制备方法，其特征是，步骤(a)的步骤⑤中，粉末在放电等离子体烧结过程中，烧结压强为50mpa，烧结温度为500℃，烧结时间为7min。

4.根据权利要求1所述的c轴取向生长的snsb2te4热电薄膜的制备方法，其特征是，步骤(b)中，所述基片为铝酸镧、钛酸锶、硅片、铝酸锶钽镧、氧化镁或蓝宝石。

5.根据权利要求1所述的c轴取向生长的snsb2te4热电薄膜的制备方法，其特征是，步骤(b)中，清洗基片方式为：将基片依次放于丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗10min。

6.根据权利要求1所述的c轴取向生长的snsb2te4热电薄膜的制备方法，其特征是，步骤(c)放置靶材以及步骤(d)放置基片后，snsb2te4靶材和基片之间的距离为50mm。

7.根据权利要求1所述的c轴取向生长的snsb2te4热电薄膜的制备方法，其特征是，步骤(f)中，使基片的温度升温至250℃～300℃。

8.根据权利要求1所述的c轴取向生长的snsb2te4热电薄膜的制备方法，其特征是，步骤(g)中，使处于动态平衡的氩气压强为0.1pa。

9.根据权利要求1所述的c轴取向生长的snsb2te4热电薄膜的制备方法，其特征是，步骤(h)中，所述脉冲激光为xecl准分子脉冲激光，波长为308nm，脉宽为28ns；轰击到snsb2te4靶材上的能量密度为1.5mj/cm2，频率为5hz。

10.采用权利要求1-9任一项所述方法所制备的c轴取向生长的snsb2te4热电薄膜。

技术总结
本发明提供了一种c轴取向生长的SnSb<subgt;2</subgt;Te<subgt;4</subgt;热电薄膜及其制备方法。本发明采用放电等离子体烧结技术制备SnSb<subgt;2</subgt;Te<subgt;4</subgt;多晶靶材，采用脉冲激光沉积技术在单晶基片上生长SnSb<subgt;2</subgt;Te<subgt;4</subgt;薄膜，通过调控基片温度、氩气压强、激光能量密度等参数，在单晶基片上沉积择优取向性好、结晶质量高的SnSb<subgt;2</subgt;Te<subgt;4</subgt;薄膜。通过本发明方法所制备的SnSb<subgt;2</subgt;Te<subgt;4</subgt;薄膜具有良好的热电性能，在热电薄膜器件和微区集成电子器件等领域具有广阔的应用前景。

技术研发人员：陈明敬,王淑芳,钱鑫,陈旭阳,郭浩然,李志亮,方立德
受保护的技术使用者：河北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13