n型Bi_2Te_(3-y)Se_y温差电材料薄膜的电化学制备及表征

采用电化学控电位的方法在不锈钢基片上电沉积制备了Bi2Te3-ySey温差电材料薄膜。研究了电沉积溶液中硒含量与薄膜中硒含量的关系,考察了不同沉积电位对电沉积Bi2Te3-ySey薄膜的温差电性能的影响,并采用ESEM、EDS、XRD等方法对电沉积薄膜的形貌、成分及结构进行了分析。结果表明,在含有Bi3+、HTeO2+和Se4+的电沉积溶液中,采用电化学沉积的方法,可实现铋、碲、硒三元共沉积,生成Bi2Te3-ySey半导体化合物。改变电沉积溶液组成,可控制Bi2Te3-ySey化合物中硒的掺杂浓度。-0.04V沉积电位下制备的Bi2Te3-ySey薄膜较平整、致密,组成为Bi2Te2.7Se0.3。退火处理可提高电沉积Bi2Te3-ySey薄膜的塞贝克系数,且控制沉积电位为-0.04V下制备的Bi2Te3-ySey薄膜退火后的塞贝克系数为-123μV·K-1。

Bi_(2-x)Sb_xTe_3温差电材料薄膜的电化学制备、表征及性能研究

采用电化学控电位沉积的方法制备了Bi2-xSbxTe3温差电材料薄膜.通过ESEM、XPS、XRD、EDS等方法对电沉积薄膜的形貌、结构和组成进行了研究,并测试了在不同电位下制备的Bi2-xSbxTe3薄膜的温差电性能.研究结果表明,在含有Bi3+、HTeO2+和SbO+的溶液中,采用控电位沉积模式,可实现铋、锑、碲三元共沉积,生成锑掺杂的Bi2Te3化合物Bi2-xSbxTe3.通过调节沉积电位,可控制电沉积Bi2-xSbxTe3薄膜的掺杂浓度,从而影响材料的温差电性能.控制沉积电位为-0.5V条件下制备的温差电材料薄膜的塞贝克系数最大,为213μV·K-1,其组成为Bi0.5Sb1.5Te3.随着沉积电位的负移,电沉积出的Bi2-xSbxTe3薄膜的结晶状态将逐渐由等轴晶转变为树枝晶.研究证明,电沉积方法可以制备出性能优异的薄膜温差电材料.

二甲基亚砜有机溶液中Bi-Sb薄膜温差电材料的电沉积制备

采用循环伏安曲线以及稳态极化曲线的测试方法分析了二甲基亚砜有机溶液中纯Bi、纯Sb以及Bi-Sb二元体系在Ti基体上的还原过程。结合分析结果,采用直流恒电位方式电沉积制备了Bi-Sb二元薄膜温差电材料,并采用X-射线衍射以及塞贝克系数测试对不同电位下制备出的Bi-Sb二元薄膜温差电材料的物相结构及性能进行了表征。实验结果表明,在Ti基体上Bi3+、Sb3+离子的氧化还原均为不可逆过程,前者的阴极还原过程仅由离子扩散造成,而后者的还原过程中涉及到了离子的吸附,二者沉积电位接近,共沉积过程是一步完成的。对制备出的材料的物相以及性能的分析结果表明,电沉积制备出的材料确为Bi-Sb二元合金,随着沉积电位的负移,温差薄膜电材料的表面变得粗糙,在不同电位下沉积出的材料均为P型温差电材料,塞贝克系数随电位变化不大。

薄膜温差电材料的电沉积机理研究及微型温差电池的制造技术

随着微电子技术以及MEMS技术的快速发展,微型处理器、微型传感器、微型控制器以及各种形式的微结构已大量出现。微型化的电子装置必然要求微型电源与之相配。微型化的电子装置对电源的需求特点是高的输出电压和低的输出功率。目前,微电池技术的发展已经明显落后于微电子技术以及MEMS技术的发展,已经成为制约微电子技术以及MEMS技术发展的瓶颈。微型温差电池的最大特点,在于它可从环境接受各种形式的热能,并高效率地直接将其转变为电能输出,且使用温度范围宽(200～500K),寿命长(超过20年),性能高度稳定。由于微型温差电池的外形具有薄膜结构,这种电池非常适合于集成化到相应的器件上直接供电,实现电能的分散储存,安全性高。目前,Bi_2Te_3及其掺杂化合物被认为是在200～500K温度范围内最适用于制备微型温差电池的温差电材料,其中Bi_2Te_3掺杂p型和n型化合物的性能更优。微型温差电池在很小的温度梯度下的开路电压可达到几十伏。这样高的输出电压是目前各种通过线切割块体温差电材料制备出的微型温差电池难以达到的。基于薄膜温差电材料的微型温差电池的制造过程包括微米尺度的p型和n型薄膜温差电材料微区的制造以及微电池的制造。微米尺度的p型和n型薄膜温差电材料微区的制造方法,是在利用微系统加工技术的基础上结合温差电材料的物理的或者化学合成法。微电池的制造过程则完全依赖于微系统加工技术。电化学沉积技术制备薄膜温差电材料的过程,是借助于电场作用下溶液中相关离子的电化学还原而实现的。基于电化学沉积薄膜温差电材料,提出了一种新的微型温差电池的结构。这种新型微型温差电池是一种由大量薄膜结构单体温差电池形成的电串连集合体。这种新型微温差电池的制造技术是通过将电化学沉积技术与微系统技术相结合,在光刻蚀微区内电化学沉积Bi_2Te_3掺杂p型及n型薄膜温差电材料,以及大量p型及n型微区温差电材料之间的电串联和随后大量薄膜结构单体温差电池的高度集成化而实现。这种微型温差电池的外形尺寸为20mm×4mm×0.5mm,在室温、20℃的温差条件下的输出电压为450mV。

不锈钢与金基体上电沉积Bi_2Te_(3-y)Se_y薄膜

采用控电位电沉积技术以不锈钢和金为基体制备了Bi2Te3-ySey温差电材料薄膜。通过环境扫描电子显微镜(ESEM)、能量散射光谱(EDS)、X射线衍射光谱法(XRD)等方法,研究了不同基体对Bi2Te3-ySey温差电材料薄膜形貌、组成及结构的影响。结果表明,在含有Bi3+、HTeO2+和Se4+的溶液中,可实现铋、碲、硒三元共沉积,制备出Bi2Te3-ySey温差电材料薄膜。以金为基体电沉积的Bi2Te3-ySey薄膜的表面较平整、致密。在-0.04V沉积电位下,以不锈钢和金为基体电沉积Bi2Te3-ySey薄膜组成分别为Bi2Te2.39Se0.77和Bi2Te2.45Se0.85,且在不锈钢上电沉积制备的Bi2Te3-ySey薄膜的塞贝克系数更高,为-60mV/K。