PatViewer专利搜索
中国 发明 有效

采用磁控溅射制备定向纳米柱阵列结构PbTe膜的方法 【EN】The method that directional nano pillar array structure PbTe films are prepared using magnetron sputtering

申请(专利)号:CN201810205253.0国省代码:天津 12
申请(专利权)人:【中文】天津科技大学【EN】Tianjin University of Science & Technology
温馨提示:Ctrl+D 请注意收藏,详细著录项请登录检索查看。 Please note the collection. For details, please search the home page.

摘要:
【中文】本发明涉及一种采用磁控溅射制备定向纳米柱阵列结构PbTe膜的方法,包括下列制备步骤:(1)基底清洗吹干后放入溅射真空室;(2)把质量百分比纯度为99.99%的PbTe靶材放入磁控溅射真空室中,调节基底与溅射靶源的距离后抽真空;(3)设定加热温度对基底升温,同时打开气体流量控制仪和溅射电源预热,并打开样品台自转;(4)开始通入高纯度氩气,固定氩气流量并调节气压至预定工作气压;(5)调节溅射功率,沉积2h~3h;(6)关闭溅射电源,并在氩气气氛下对薄膜进行原位退火;(7)关闭电源,待基底温度降至20℃~40℃时,关闭样品台自转和电源即制得在基底上沉积具有定向纳米柱阵列结构的PbTe膜。该方法简单、新颖,生产环境条件宽松,效果非常显著。 【EN】Paragraph:The present invention relates to a kind of methods preparing directional nano pillar array structure PbTe films using magnetron sputtering, including following preparation steps:(1) it is put into sputtering vacuum chamber after substrate cleaning drying;(2) the PbTe targets that mass percent purity is 99.99% are put into magnetron sputtering vacuum chamber, are vacuumized after adjusting substrate at a distance from sputtering target source;(3) setting heating temperature heats up to substrate, opens simultaneously gas-flow rate controller and shielding power supply preheating, and open sample stage rotation;(4) start to be passed through high purity argon, fixed argon flow amount simultaneously adjusts air pressure to predetermined work air pressure;(5) sputtering power is adjusted, 2h~3h is deposited;(6) shielding power supply is closed, and in-situ annealing is carried out to film under an argon atmosphere;(7) power supply is closed, when base reservoir temperature is down to 20 DEG C~40 DEG C, sample stage rotation is closed and power supply obtains PbTe film of the deposition with directional nano pillar array structure in substrate.This method is simple, novel, and production environment condition is loose, effect highly significant.Image:201810205253.GIF

主权项:
【中文】1.一种采用磁控溅射制备定向纳米柱阵列结构PbTe膜的方法,其特征在于包括下列制备步骤:(1)基底在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗5分钟~10分钟后取出,并用高纯度99.999%氮气吹干后迅速放入溅射真空室;(2)把质量百分比纯度为99.99%的PbTe靶材放入磁控溅射真空室中,调节基底与溅射靶源的距离d=3cm~5cm,开始抽真空;(3)真空度达2.0×10‑4Pa~4.0×10‑4Pa时打开加热控温电源,设定加热温度300℃~500℃,开始对基底升温,同时打开气体流量控制仪和溅射电源预热,并打开样品台自转,转速为10转/分钟~15转/分钟;(4)温度升至预定温度300℃~500℃后,开始通入高纯度99.999%氩气,固定氩气流量为20sccm~30sccm,并调节气压至预定工作气压2Pa~3Pa;(5)调节溅射功率30W~40W,预溅射5分钟~10分钟,待辉光稳定后打开挡板开始溅射,沉积时间2h~3h;(6)溅射结束后,关闭溅射电源,并在氩气气氛下对薄膜进行原位退火;(7)退火结束后,关闭加热控温电源,待基底温度降至20℃~40℃时,关闭样品台自转和其它电源,取出,即制得在基底上沉积具有定向纳米柱阵列结构的PbTe膜。 【EN】1. a kind of method preparing directional nano pillar array structure PbTe films using magnetron sputtering, it is characterised in that including following system Standby step:


说明书

采用磁控溅射制备定向纳米柱阵列结构PbTe膜的方法

技术领域

本发明涉及一种采用物理气相沉积制备定向纳米柱阵列结构PbTe膜的方法,特别

涉及一种采用磁控溅射制备定向纳米柱阵列结构PbTe膜的方法。

背景技术

目前,随着全球工业化步伐的加快,世界性的能源短缺已经成为制约经济社会发

展的重要因素。传统能源资源(煤炭、石油、天然气)具有有限性,而且其在燃烧过程中对全

球气候和环境所产生的影响日益严峻。因此,开发和利用清洁、高效、经济的新能源与可再

生能源是必然的趋势。目前很多国家正在大力开发太阳能、风能、地热、海洋能和生物质等

可再生、低污染的新型能源。我国明确提出要加大清洁能源产业的建设,意味着未来我国将

加大清洁能源产业建设力度,更加注重资源节约和环境保护。热电材料可通过固体中载流

子的输运实现热能和电能的直接转换,被认为是极具竞争力的能源替代介质。热电转换技

术包括利用Seebeck效应的温差发电技术和利用Peltier效应的热电制冷技术。由热电材料

制造的温差发电和制冷器件具有无污染、无噪音、无磨损、可靠性高、寿命长、体积小、反应

快、结构较简单等优点,具备其它能量转换方式所无法替代的功能,具有极其广泛的应用前

景。

PbTe热电材料是一种中温区域材料,最佳工作温度一般在200℃~600℃之间,很

适合将其应用于工业废热、余热的利用,有望为提高能源的利用率、缓解环境污染问题提供

一种综合协调的途径。近期研究表明PbTe热电材料的热电品质因子ZT一般在1.0左右,提高

其热电品质因子ZT一直是热电材料研究的重点之一。目前,提升PbTe体系热电材料的ZT值

有两大方法:一是通过形成纳米结构降低晶格热导;二是通过掺杂增加载流子浓度或调控

多重价带,改善电性能。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以

及增加材料的面体比而改善其表面态,有益电子传输,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。因此,材料微观组织的一维阵列化是实现PbTe体系热

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。

一直以来有多种方法对纳米结构PbTe体系材料进行制备,包括电化学沉积、球磨-

热压法、气-液-固催化生长等方法,这些合成方法尽管能制备纳米结构材料,但它们主要的

缺点是它们太复杂以及条件苛刻,并且反应产物不纯或需要去除模板,很难用于器件应用

中,或者很难控制低维粒子在块体材料中的分布。况且,这些方法几乎不可能大规模组装成

有序的纳米柱阵列,新颖定向纳米柱阵列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。在我们以前的工作中,采用简便的真空热蒸发镀膜已成功制备

出定向Bi2Te2.7Se0.3纳米柱阵列,也成功制备出多级次Bi1.5Sb0.5Te3倾斜柱阵列,不要使用任

何封端剂或硬质模板,而这仍然是挑战,开发一种简单适用的方法可控制备定向纳米柱阵

列结构PbTe膜。根据我们所了解的,新颖定向纳米柱阵列结构PbTe膜到目前还未见报道,更

没有采用磁控溅射制备定向纳米柱阵列结构PbTe膜的专利与文献。

因此,提供一种工艺简单、设计合理、制备环境条件宽松、效果显著的采用磁控溅

射制备定向纳米柱阵列结构PbTe膜的方法,是该领域技术人员当前急待解决的难题之一。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处,提供一种工艺简单、设计合理、制备环境条

件宽松、效果显著的采用磁控溅射制备定向纳米柱阵列结构PbTe膜的方法。

本发明是一种采用磁控溅射制备定向纳米柱阵列结构PbTe膜的方法,其特征在于

包括下列制备步骤:

(1)基底在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗5分钟~10分钟后取出,并

用高纯度99.999%氮气吹干后迅速放入溅射真空室;

(2)把质量百分比纯度为99.99%的PbTe靶材放入磁控溅射真空室中,调节基底与

溅射靶源的距离d=3cm~5cm,开始抽真空;

(3)真空度达2.0×10-4Pa~4.0×10-4Pa时打开加热控温电源,设定加热温度300

℃~500℃,开始对基底升温,同时打开气体流量控制仪和溅射电源预热,并打开样品台自

转,转速为10转/分钟~15转/分钟;

(4)温度升至预定温度300℃~500℃后,开始通入高纯度99.999%氩气,固定氩气

流量为20sccm~30sccm,并调节气压至预定工作气压2Pa~3Pa;

(5)调节溅射功率30W~40W,预溅射5分钟~10分钟,待辉光稳定后打开挡板开始

溅射,沉积时间2h~3h;

(6)溅射结束后,关闭溅射电源,并在氩气气氛下对薄膜进行原位退火;

(7)退火结束后,关闭加热控温电源,待基底温度降至20℃~40℃时,关闭样品台

自转和其它电源,取出,制得在基底上沉积具有定向纳米柱阵列结构的PbTe膜。

本发明制备定向纳米柱阵列结构PbTe膜方法的优点在于:

(1)本发明采用磁控溅射法,制备出一种新颖的定向纳米柱阵列结构PbTe膜材料,

膜由纳米柱阵列组装,纳米柱竖直生长且均匀,高择优(2 0 0)晶向相似一条高速路通道,

为载流子输运提供了择优路径。这种定向纳米柱阵列结构提供载流子择优输运通道,以及

周期界面有利声子散射,从而可使材料有优异的热电性能。

(2)通过定向纳米柱阵列结构化来得到具有很高的功率因子与较低的热导材料,

从而大幅提升热电品质因子。利用现代测试手段,系统研究定向纳米柱阵列结构对热电输

运性能的影响,建立相应的形成机理模型、结构-性能关系,为研制和开发新颖高ZT中温区

用热电材料和器件提供新的思路。

(3)性能测试表明定向纳米柱阵列结构热电材料性能优异,比其它非定向纳米柱

阵列结构PbTe膜材料有大幅提升,因此引入定向纳米柱阵列结构是一种提高热电材料性能

的有效途径。

(4)利用简便的磁控溅射可以大规模的加工出定向纳米柱阵列结构PbTe膜,且方

便加工成器件,可以与其它微加工工艺完美结合,方法简单、新颖,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。

附图说明

图1是本发明实施例1制得的纳米柱阵列结构PbTe膜的XRD;

图2是本发明实施例1制得的纳米柱阵列结构PbTe膜表面的SEM;

图3是本发明实施例1制得的纳米柱阵列结构PbTe膜侧面的SEM。

图4是本发明实施例2制得的定向纳米柱阵列结构PbTe膜的XRD;

图5是本发明实施例2制得的定向纳米柱阵列结构PbTe膜表面的SEM;

图6是本发明实施例2制得的定向纳米柱阵列结构PbTe膜侧面的SEM。

图7是本发明实施例3制得的定向纳米柱阵列结构PbTe膜的XRD;

图8是本发明实施例3制得的定向纳米柱阵列结构PbTe膜表面的SEM;

图9是本发明实施例3制得的定向纳米柱阵列结构PbTe膜侧面的SEM。

图10是本发明实施例4制得的定向纳米柱阵列结构PbTe膜的XRD;

图11是本发明实施例4制得的定向纳米柱阵列结构PbTe膜表面的SEM;

图12是本发明实施例4制得的定向纳米柱阵列结构PbTe膜侧面的SEM。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对依据本发明提供的具体实施方式、特征详述如下:

本发明是一种采用磁控溅射制备定向纳米柱阵列结构PbTe膜的方法,即采用JGP-

450a型多靶磁控溅射沉积系统制备定向纳米柱阵列结构PbTe(碲化铅)膜的方法,或采用其

它型号设备适当调整技术参数指标,其包括下列制备步骤:

(1)基底在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗5分钟~10分钟后取出,并

用高纯度99.999%氮气吹干后迅速放入溅射真空室;

(2)把质量百分比纯度为99.99%的PbTe靶材放入磁控溅射真空室中,调节基底与

溅射靶源的距离d=3cm~5cm,开始抽真空;

(3)真空度达2.0×10-4Pa~4.0×10-4Pa时打开加热控温电源,设定加热温度300

℃~500℃,开始对基底升温,同时打开气体流量控制仪和溅射电源预热,并打开样品台自

转,转速为10转/分钟~15转/分钟;

(4)温度升至预定温度300℃~500℃后,开始通入高纯度99.999%氩气,固定氩气

流量为20sccm~30sccm,并调节气压至预定工作气压2Pa~3Pa;

(5)调节溅射功率30W~40W,预溅射5分钟~10分钟,待辉光稳定后打开挡板开始

溅射,沉积时间2h~3h;

(6)溅射结束后,关闭溅射电源,并在氩气气氛下对薄膜进行原位退火;

(7)退火结束后,关闭加热控温电源,待基底温度降至20℃~40℃时,关闭样品台

自转和其它电源,取出,即制得在基底上沉积具有纳米柱阵列结构的PbTe膜。

实施例1

在玻璃基底上磁控溅射制备纳米柱阵列结构PbTe膜:

(1)基底在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗10分钟后取出,并用高纯度

99.999%氮气吹干后迅速放入溅射真空室;

(2)把质量百分比纯度为99.99%的PbTe靶材放入磁控溅射真空室中,调节基底与

溅射靶源的距离d=3cm,开始抽真空;

(3)真空度达2.0×10-4Pa时打开加热控温电源,设定加热温度300℃,开始对基底

升温,同时打开气体流量控制仪和溅射电源预热,并打开样品台自转,转速为10转/分钟;

(4)温度升至预定温度300℃后,开始通入高纯度99.999%氩气,固定氩气流量为

20sccm,并调节气压至预定工作气压2Pa;

(5)调节溅射功率30W,预溅射5分钟,待辉光稳定后打开挡板开始溅射,沉积时间

3h;

(6)溅射结束后,关闭溅射电源,并在氩气气氛下对薄膜进行原位退火;

(7)退火结束后,关闭加热控温电源,待基底温度降至20℃时,关闭样品台自转和

其它电源,取出,即制得在基底上沉积具有纳米柱阵列结构的PbTe膜。

采用X射线衍射仪(Rigaku D/MAX 2200)对实施例1制得的纳米柱阵列结构PbTe膜

进行物相分析,如图1所示,说明制得的纳米柱阵列结构PbTe膜为PbTe单质。

采用扫描电子显微镜(FE-SEM,Sirion 200)下观察实施例1制得的纳米柱阵列结

构PbTe膜,其表面形貌如图2,可知由纳米颗粒阵列构成,从断面可以看出,PbTe纳米柱阵列

竖直生长,阵列中的纳米柱直径为50nm~100nm,纳米柱有大量微小纳米颗粒组成,扫描电

镜照片如图3所示。PbTe纳米柱阵列结构均一,有效的保证了纳米相的均匀分布。

实施例2

在玻璃基底上磁控溅射制备定向纳米柱阵列结构PbTe膜:

(1)基底在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗8分钟后取出,并用高纯度

99.999%氮气吹干后迅速放入溅射真空室;

(2)把质量百分比纯度为99.99%的PbTe靶材放入磁控溅射真空室中,调节基底与

溅射靶源的距离d=4cm,开始抽真空;

(3)真空度达3.0×10-4Pa时打开加热控温电源,设定加热温度400℃,开始对基底

升温,同时打开气体流量控制仪和溅射电源预热,并打开样品台自转,转速为12转/分钟;

(4)温度升至预定温度400℃后,开始通入高纯度99.999%氩气,固定氩气流量为

25sccm,并调节气压至预定工作气压2Pa;

(5)调节溅射功率35W,预溅射8分钟,待辉光稳定后打开挡板开始溅射,沉积时间

2.5h;(6)溅射结束后,关闭溅射电源,并在氩气气氛下对薄膜进行原位退火;

(7)退火结束后,关闭加热控温电源,待基底温度降至30℃时,关闭样品台自转和

其它电源,取出,即制得在基底上沉积具有定向纳米柱阵列结构的PbTe膜。

采用X射线衍射仪对实施例2制得的定向纳米柱阵列结构PbTe膜进行物相分析,如

图4所示,说明制得的定向纳米柱阵列结构PbTe膜为PbTe单质。

采用扫描电子显微镜下观察实施例2制得的定向纳米柱阵列结构PbTe膜,其表面

形貌如图5,可知由纳米颗粒阵列构成,从断面可以看出,PbTe纳米柱阵列竖直生长,阵列中

的纳米柱直径为50~100nm,纳米柱有大量微小纳米颗粒组成且出现层状结构,扫描电镜照

片如图6所示。PbTe纳米柱阵列结构均一,有效的保证了纳米相的均匀分布。

实施例3

本发明是采用JGP-450a型多靶磁控溅射沉积系统制备定向纳米柱阵列结构PbTe

(碲化铅)膜的方法,或采用其它型号设备适当调整技术参数指标,其包括下列制备步骤:

在玻璃基底上磁控溅射制备定向纳米柱阵列结构PbTe膜:(优选)

(1)基底在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗6分钟后取出,并用高纯度

99.999%氮气吹干后迅速放入溅射真空室;

(2)把质量百分比纯度为99.99%的PbTe靶材放入磁控溅射真空室中,调节基底与

溅射靶源的距离d=4cm,开始抽真空;

(3)真空度达4.0×10-4Pa时打开加热控温电源,设定加热温度450℃,开始对基底

升温,同时打开气体流量控制仪和溅射电源预热,并打开样品台自转,转速为12转/分钟;

(4)温度升至预定温度450℃后,开始通入高纯度99.999%氩气,固定氩气流量为

25sccm,并调节气压至预定工作气压2Pa;

(5)调节溅射功率35W,预溅射8分钟,待辉光稳定后打开挡板开始溅射,沉积时间

2.5h;

(6)溅射结束后,关闭溅射电源,并在氩气气氛下对薄膜进行原位退火;

(7)退火结束后,关闭加热控温电源,待基底温度降至30℃时,关闭样品台自转和

其它电源,取出,即制得在基底上沉积具有定向纳米柱阵列结构的PbTe膜。

采用X射线衍射仪对实施例3制得的定向纳米柱阵列结构PbTe膜进行物相分析,如

图7所示,说明制得的定向纳米柱阵列结构PbTe膜为PbTe单质,且沿(2 0 0)晶向择优生长。

采用扫描电子显微镜下观察实施例3制得的定向纳米柱阵列结构PbTe膜,其表面

形貌如图8,可知由纳米颗粒阵列构成,从断面可以看出,PbTe纳米柱阵列竖直定向生长,阵

列中的纳米柱直径为50~100nm,纳米柱生长非常致密,排列极为规整,扫描电镜照片如图9

所示。PbTe纳米柱阵列结构均一,有效的保证了纳米相的均匀分布。

实施例4

在玻璃基底上磁控溅射制备定向纳米柱阵列结构PbTe膜:

(1)基底在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗5分钟后取出,并用高纯度

99.999%氮气吹干后迅速放入溅射真空室;

(2)把质量百分比纯度为99.99%的PbTe靶材放入磁控溅射真空室中,调节基底与

溅射靶源的距离d=5cm,开始抽真空;

(3)真空度达4.0×10-4Pa时打开加热控温电源,设定加热温度500℃,开始对基底

升温,同时打开气体流量控制仪和溅射电源预热,并打开样品台自转,转速为15转/分钟;

(4)温度升至预定温度500℃后,开始通入高纯度99.999%氩气,固定氩气流量为

30sccm,并调节气压至预定工作气压3Pa;

(5)调节溅射功率40W,预溅射10分钟,待辉光稳定后打开挡板开始溅射,沉积时间

2h;

(6)溅射结束后,关闭溅射电源,并在氩气气氛下对薄膜进行原位退火;

(7)退火结束后,关闭加热控温电源,待基底温度降至40℃时,关闭样品台自转和

其它电源,取出,即制得在基底上沉积具有定向纳米柱阵列结构的PbTe膜。

采用X射线衍射仪对实施例4制得的定向纳米柱阵列结构PbTe膜进行物相分析,如

图10所示,说明制得的定向纳米柱阵列结构PbTe膜为PbTe单质,且沿(2 0 0)晶向择优生

长。

采用扫描电子显微镜下观察实施例4制得的定向纳米柱阵列结构PbTe膜,其表面

形貌如图11,可知由纳米颗粒阵列构成,从断面可以看出,PbTe纳米柱阵列竖直定向生长,

阵列中的纳米柱直径为50nm~100nm,纳米柱生长较致密与规整,扫描电镜照片如图12所

示。PbTe纳米柱阵列结构均一,有效的保证了纳米相的均匀分布。

具有定向纳米柱阵列结构的PbTe膜材料性能测试结果(见表1)相比最近关于PbTe

体系材料文献报道结果,例如:F.R.Sie等在温度700K取得的最高热电品质因子ZTmax=0.81

(Intermetallics,92,113-118,2018);Y.Xiao等在温度673K也取得了ZTmax=1.2(Journal

of Alloys and Compounds,724,208-221,2017);K.M.Zhang等在温度625K也取得了ZTmax

0.98(Journal of Alloys and Compounds,725,563-572,2017),这表明本发明的定向纳米

柱阵列结构PbTe膜材料性能非常优异。这是由于高定向晶面、竖直的纳米柱阵列化构建一

条相对优化的途径为载流子在面内方向传输;而且该结构膜具有周期性界面负责声子散

射,在面内方向它包含高密度的粗糙界面,这些产生热阻致使此新颖纳米柱阵列有低的热

导。所以,定向纳米柱阵列结构PbTe膜材料面内性能优异。另外,定向纳米柱阵列结构化过

程诱导了有用的变化在界面中,这些是导致定向纳米柱阵列结构材料性能较非定向纳米柱

阵列结构材料性能大幅提升的根本原因,因此引入竖直纳米柱阵列结构且具有高择优(2 0

0)晶向是一种大幅提高热电材料性能的有效途径。

表1纳米柱阵列结构PbTe膜在温度700K测试的热电性能,每个值为五次测试结果

平均值。


...

=>>详细说明书全文请登录检索查看

图1
PatViewer知识产权搜索   专利、商标、地理标志、集成电路
©2018 IPPH.cn  主办单位:国家知识产权局知识产权出版社  咨询热线:01082000860-8588
浏览器:火狐、谷歌、opera、ie9及以上等  京ICP备09007110号 京公网安备 11010802026659号 开放平台