CN102263198A - 低维结构热电材料的制备方法 - Google Patents

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刘宏
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Abstract

本发明公开了一种低维结构热电材料的制备方法，其包括如下步骤：首先基于多孔氧化铝模板制备的纳米线超晶格复合结构热电薄膜，然后基于合金工艺和CVD技术制备的量子点或纳米线镶嵌结构薄膜。经检验经过上述方法制得的低维结构热电薄膜的无量纲热电品质因子大于2，用此材料制备的温差发电器件热电转换效率大于10％，是一种具有非常好前景的热电能源转换材料。

Description

低维结构热电材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种热电材料的制备方法，特别涉及一种低维结构热电材料的制备方法。
背景技术
温差电材料(Thermoelectric Materials)也称为热电材料。温差电材料主要用于制备热电制冷器件和热电发电器件。温度梯度场热电转换原理简称温差电原理(Thermoelectric)，它的发现可追溯到19世纪，1822年，ThomasSeebeck发现温差电动势效应(温差电材料发电原理，即Seebeck原理)；1834年，Jean Peltier发现电流回路中两不同材料导体结界面处的降温效应(温差电材料制冷原理，即Peltier原理)。20世纪50年代发现一些半导体材料是良好的温差电材料。温差电器件的工作效率取决于材料的一个无量纲参数：ZT。TE器件要求ZT越大越好，ZT越大效率越高。通常把ZT＞0.5的材料称为温差电材料。温差电器件的设计主旨在于提高ZT值。目前商用主流温差电材料ZT＝0.8～1，由其制备的温差发电器件的能量转换效率大约在4％---7％。
全球每年的能源消耗有三分之一以上是以废热随机排放出去，这不断造成了能源的危机，同时对全球气候产生极大伤害。温差发电器件可直接把热能转化为电能，该特性近年引起全球关注和重视。温差电器件的优点在于其固态结构特点，它结构尺寸小，轻便，坚固耐用，无噪音，无污染，造价低，适用于极端环境。近年来国内外相关研究极大推动了温度梯度场热电转换应用的发展。从各种能源体系角度来看高效温差发电预期在未来会越来越值得人们期待，未使用的废热数额以及以有效利用热电产生***为基础的低碳社会，从能源供应和低环境影响的角度来看高效热电转换材料/制造工艺将会是优先被考虑研发和推荐的技术。温差电器件的缺点在于其工作效率相对偏低，且相关材料的种类较少。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种新的低维结构热电材料制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种低维结构热电材料的制备方法，其包括如下步骤：首先基于多孔氧化铝模板制备的纳米线超晶格复合结构热电薄膜，具体方法是采用交叉结构的阴电极制备工艺，通过电化学沉积法，用直流或脉冲激励，分别先后在多孔氧化铝模板空洞中沉积相间排列的P型和N型热电材料，最后基于合金工艺和CVD技术制备出级联的纳米线镶嵌结构薄膜即低维结构热电材料，所述热电材料的主要成分为碲化铋、硒化铋、碲化锑、碲化铅及其他们的固溶体。
优选的，所述多孔氧化铝模板为阳极氧化制备的多孔氧化铝。
优选的，所述多孔氧化铝模板的孔洞大小为5-300nm、长度从10微米---100微米以上、孔洞密度可达2x1011/cm2、高纵横比大于1000的均质模板。
优选的，所述的纳米线列阵超晶格的结构折叠的超晶格型纳米线材料。
优选的，所述纳米线材料阵列的线直径大约为5nm--300nm，纳米线分布密度大约为109/cm2---1011/cm2。
优选的，可在二氧化硅基板、蓝宝石基板、氧化铍、氮化铝基板上制备量子点和纳米线阵列。
优选的，在沉积材料过程中可进行实时原位掺杂。
上述技术方案具有如下有益效果：经检验经过上述方法制得的低维结构热电薄膜的无量纲热电品质因子大于2，用此材料制备的温差发电器件热电转换效率大于10％，是一种非常好的热电材料。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
图1为多孔氧化铝模板填充制备材料后的结构图。
图2为铝模板空洞中的p型、n型半导体纳米线排列图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细介绍。
该低维结构热电材料的制备方法，其包括如下步骤：
首先基于多孔氧化铝模板制备的纳米线超晶格复合结构热电薄膜，具体方法是采用交叉结构的阴电极制备工艺，通过电化学沉积法，用直流或脉冲激励，分别先后在多孔氧化铝模板空洞中沉积相间排列的P型和N型热电材料，在沉积材料过程中可进行实时原位掺杂，如图2所示，多孔氧化铝模板空洞中沉积的p型、n型半导体纳米线为交替排列。此处的多孔氧化铝模板为阳极氧化制备的多孔氧化铝，多孔氧化铝模板的孔洞大小为5-300nm、长度至100微米以上、孔洞密度可达2x1011/cm2、高纵横比大于1000的均质模板。制备的纳米线超晶格复合结构的实质为折叠的超晶格型纳米线材料，纳米线材料阵列的线直径大约为60nm左右，纳米线分布密度大约为4x109/cm2。然后将制备完毕的各单元纳米线建立温差电偶的无限级联的合金化过程，最后采用CVD技术借助多孔氧化铝模板作为掩膜板制备成低维热电结构材料。
如图1所示，明亮部分为孔洞中已完全填充所制备材料，黑色部分未填充，灰色部分为模板，成核率大于80％.采用上述方法制备的热电材料的无量纲热电品质因子大于2，用此材料制备的温差发电器件热电转换效率大于10％，是一种非常好的热电材料。
以上对本发明实施例所提供的一种低维结构热电材料的制备进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，凡依本发明设计思想所做的任何改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低维结构热电材料的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：首先基于多孔氧化铝模板制备的纳米线超晶格复合结构热电薄膜，具体方法是采用交叉结构的阴电极制备工艺，通过电化学沉积法，用直流或脉冲激励，分别先后在多孔氧化铝模板空洞中沉积相间排列的P型和N型热电材料，最后基于合金工艺和CVD技术制备出级联的纳米线镶嵌结构薄膜即低维结构热电材料，所述热电材料的主要成分为碲化铋、硒化铋、碲化锑、碲化铅及其他们的固溶体。
2.根据权利要求1所述的低维结构热电材料的制备方法，其特征在于：所述多孔氧化铝模板为阳极氧化制备的多孔氧化铝。
3.根据权利要求2所述的低维结构热电材料的制备方法，其特征在于：所述多孔氧化铝模板的孔洞大小为5-300nm、长度从10微米---100微米以上、孔洞密度可达2x1011/cm2、高纵横比大于1000的均质模板。
4.根据权利要求1所述的低维结构热电材料的制备方法，其特征在于：所述的纳米线列阵超晶格的结构折叠的超晶格型纳米线材料。
5.根据权利要求4所述的低维结构热电材料的制备方法，其特征在于：所述纳米线材料阵列的线直径大约为5nm--300nm，纳米线分布密度大约为109/cm2---1011/cm2。
6.根据权利要求1所述的低维结构热电材料的制备方法，其特征在于：可在二氧化硅基板、蓝宝石基板、氧化铍、氮化铝基板上制备量子点和纳米线阵列。
7.根据权利要求1所述的低维结构热电材料的制备方法，其特征在于：在沉积材料过程中可进行实时原位掺杂。
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