[发明专利]一种纳米尺度多孔硒/碲化物薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明涉及功能薄膜材料领域，具体为一种纳米尺度多孔硒(Se)/碲(Te)化物薄膜材料及其制备方法，该多孔薄膜材料作为微型热电能源器件、微型传感器等方面的应用。该多孔薄膜材料为均匀沉积在金属、半导体或绝缘体光滑基底表面上的硒/碲化物薄膜层，薄膜中含有高密度均匀分布的纳米尺度孔隙，纳米孔隙呈现为规则的几何多面体结构；孔隙表面为亚纳米级粗糙度，且孔隙与薄膜基体间存在晶体学取向关系。利用Se/Te元素低熔点、易扩散和聚集长大的特性，合成纳米尺度多孔结构。在薄膜面外方向，Te(Se)元素含量呈过饱和连续递增分布，通过退火处理方式成功制备纳米孔隙含量和大小分布连续可调控的Bi₂Te₃(Sb₂Se₃)薄膜。

技术领域

本发明涉及功能薄膜材料领域，具体为一种纳米尺度多孔硒(Se)/碲(Te)化物薄膜材料及其制备方法，该多孔薄膜材料可作为微型热电能源器件、微型传感器等方面的应用。

背景技术

硒(Se)/碲(Te)化物薄膜材料在日益蓬勃发展的功能材料与器件中扮演着重要的角色。其已被广泛应用于半导体领域，如：太阳能电池、热电换能和制冷、微电子等行业，其中热电技术领域是其主要应用方向之一。热电材料是一种能够在没有其他特定外力或器件的协助下，能使“热”与“电”两种不同形态的能量相互转换的功能性半导体材料，可充分利用日常生产和生活中的废热发电，或是进行微区高热通量制冷，是当前我国资源高效利用、余热余能回收、微系统热量管理等科技专项中的重要研究内容，但其较低的转换效率是相关产业发展的突出技术瓶颈。

热电材料性能与其自身热导率成反比，提高热电性能的主要策略之一为降低材料热导率。对于块体热电材料，可利用多种方式在材料中引入不同尺度散射机制来降低热导率。然而，薄膜热电材料中调控热导率的方式非常有限，如调制晶粒大小和第二相析出物来增强声子散射。因此，急需发展新的制备方法来解决这一棘手问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米尺度多孔硒(Se)/碲(Te)化物薄膜材料及其制备方法，通过物理气相法沉积硒(Se)/碲(Te)元素梯度分布的硒(Se)/碲(Te)化物薄膜。即在薄膜面外方向，硒(Se)/碲(Te)元素含量呈现过饱和连续递增分布，再通过惰性还原气氛中长时间退火处理，合成一种纳米尺度多孔薄膜材料，并对其微观形貌进行表征、导热、导电和热电势性能进行测试，为进一步制备相关领域的微型器件做好材料准备。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种纳米尺度多孔硒/碲化物薄膜材料，该多孔薄膜材料为均匀沉积在金属、半导体或绝缘体光滑基底表面上的硒/碲化物薄膜层，薄膜中含有高密度均匀分布的纳米尺度孔隙，纳米孔隙呈现为规则的几何多面体结构；孔隙表面为亚纳米级粗糙度，且孔隙与薄膜基体间存在晶体学取向关系。

所述的纳米尺度多孔硒/碲化物薄膜材料，硒/碲化物薄膜层为Bi₂Te₃、Sb₂Se₃、PbSe、SnSe、Bi₂Se₃、Cu₂Se或Ag₂Te。

所述的纳米尺度多孔硒/碲化物薄膜材料，该纳米尺度多孔薄膜材料中的孔隙分布在薄膜晶界以及三晶界交汇处，孔隙多面体的一组平行面与基体薄膜晶粒的一低指数晶面平行。

所述的纳米尺度多孔硒/碲化物薄膜材料，该纳米尺度多孔薄膜材料中的孔隙尺寸大小连续分布在1～100nm之间，呈类高斯分布特征，且平均孔径大小可调控；由薄膜退火前后硒/碲成分的变化估算得到，薄膜的孔隙率为1％～10％。

所述的纳米尺度多孔硒/碲化物薄膜材料，纳米尺度多孔薄膜材料经过退火处理后，由于薄膜中过饱和硒/碲的析出和多孔结构的产生，薄膜材料的电导率相比退火前降低10％～20％，热电系数则升高50％～70％。