[发明专利]一种新型ZnO基热电薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种新型ZnO基热电薄膜及其制备方法，属于新材料和新能源交叉技术领域，特别涉及一种新型Zn_1-x-yAl_xTi_yO热电薄膜的磁控溅射制备方法。

背景技术

随着社会和工业化的高速发展，能源危机和环境污染污染问题日趋严峻，迫切需要积极开发并使用可再生能源和洁净的新能源。热电材料是一种能够实现热能和电能直接相互转换的新能源材料。采用热电材料制作的热电发电器能够将来源于汽车尾气废热以及火电厂、垃圾焚烧炉等各种工厂加工过程中的废热余热转换为电能。热电发电器件没有运动部件、无噪音污染、无有害物质排放、寿命长，不仅能把废热、余热重新利用，还能减轻环境污染，是一种非常有前景的清洁能源器件，符合绿色环保和低碳经济的要求。

通常材料的热电性能一般由无量纲优值(ZT)来衡量，ZT＝S²σTK^-1，S、σ、K和T分别为材料的塞贝克系数、电导率、热导率和绝对温度。在废热余热发电应用中，通常也用发电功率与所需的成本之比作为衡量材料热电性能的指标，发电功率取决于功率因子PF，PF＝S²σ。显然，高性能热电材料需要高的电导率，大的塞贝克系数及小的热导率。因此，高性能热电材料需要提高热电材料的塞贝克系数和电导率，降低材料的热导率。目前广泛应用的热电材料有Bi-Te、Bi-Sb、Pb-Sb等合金半导体热电材料，这些热电材料存在高温使用性能不稳定、易氧化，原材料价格昂贵或者含有对人体有害的金属元素等问题。ZnO基热电材料是目前热电性能最好的n型氧化物热电材料之一，其结构和制备工艺简单、环境友好，且具有低成本的绝对优势，其缺点是热电性能还不如常用的合金热电材料，因此进一步提高ZnO的热电性能是目前广泛研究的热点。近年来研究发现，将热电材料制成热电薄膜能够大幅提高材料的热电性能，同时热电薄膜还可以根据需要独立制成所需的热电器件。因此热电薄膜材料及薄膜热电器件不管在性能上，还是制备技术上，都具有块体材料无法比拟的优势。ZnO可以通过工业上广泛采用的磁控溅射技术制备成大面积的薄膜。

掺杂改性是研究工作者们进一步提高ZnO薄膜热电性能的常用方法，常用的掺杂元素包括Al、Ga、Mg、In、Ni、Co等，其中Al掺杂性能最佳。然而通过掺杂一般提高ZnO薄膜电导率的同时，其塞贝克系数会有所降低，而同时提高ZnO薄膜的电导率和塞贝克系数是比较困难的，这就限制了ZnO薄膜的热电功率因子的进一步提高。而通过两种或多种金属元素同时掺杂制备新型ZnO基热电薄膜报道极少，尤其在Al掺杂的ZnO热电薄膜的基础上引入Ti作为第二种掺杂元素制备新型ZnO基热电薄膜尚无报道。

发明内容

本发明公开了一种新型ZnO基热电薄膜及其制备方法，所述新型ZnO基热电薄膜为Al和Ti共掺杂的ZnO热电薄膜，其化学式表示为Zn_1-x-yAl_xTi_yO(0.005≤x≤0.04，0.005≤y≤0.04)。

本发明通过在Al掺杂的ZnO热电薄膜的基础上引入Ti作为第二种掺杂元素。Al和Ti共掺杂后ZnO热电薄膜的电导率显著提高，另外由于Ti的引入ZnO热电薄膜的有效态密度提高，因而其高温塞贝克系数也同时得到提高。

本发明解决了热电薄膜的电导率和塞贝克系数不能同时提高的问题，新型Zn_1-x-yAl_xTi_yO热电薄膜同时具有较大的高温电导率和塞贝克系数，因而具有较好的功率因子。通过高熔点金属Ti的掺入ZnO热电薄膜的热稳定性能也得到提高。本发明制备的新型Zn_1-x-yAl_xTi_yO热电薄膜具有优异的热电性能，在高温热电领域具有广阔的应用前景。