[发明专利]采用蒸发镀膜-电场诱导可控制备定向Bi-Te-Se纳米柱阵列的方法

说明书

本发明涉及一种采用蒸发镀膜‑电场诱导可控制备定向Bi‑Te‑Se纳米柱阵列的方法，主要制备步骤如下：将质量百分比纯度都为99.99％的Bi₂Te_2.7Se_0.3和Te粉末质量比＝10:0.5～2均匀混合，在8MPa～10MPa压力下压制Bi₂Te_2.7Se_0.3和Te混合材料成块体；清洗基底后将0.1g～0.2g的Bi₂Te_2.7Se_0.3和Te混合材料压制成的块体放入真空镀膜机的真空室的钨舟中；向真空室内分两次各充入2min～5min氮气后停止，随后抽真空度达到2.0×10^－4Pa～4.0×10^－4Pa时，打开加热控温电源；温度升至预定温度200℃～350℃后，在PID控制器上设定沉积速率10nm/min～20nm/min，沉积时间2h～3h；开启交流电源，调节输出电流160A～170A；开始在基底上沉积制备定向Bi₂Te_2.7Se_0.3纳米柱阵列。本发明方法简单、新颖，生产环境条件宽松，具有技术的原创性，有非常显著的实用价值和经济效益。

技术领域

本发明涉及利用基底施加电压，蒸发镀膜可控制备定向Bi-Te-Se纳米柱阵列的方法，特别涉及一种采用蒸发镀膜-电场诱导可控制备定向Bi-Te-Se纳米柱阵列的方法。

背景技术

近年来，热电材料是一种能实现热能与电能相互转换的固体材料，用其做成的微型热电器件体积小、重量轻、可靠性高、工作时无噪声、不释放有害化学物质,它能在任意角度安装、改变电流方向，以实现致冷和加热转换，可以进行主动的热控，也能从能源利用的角度来进行被动的热控，能源利用充分。经研究发现Bi₂Te₃体系的热电性能在室温附近最好，它们的商用块体的热电品质因子ZT一般在～1。理论和实验研究均表明热电材料的低维纳米化可大幅提高材料的热电优值。因此通过材料微观组织的一维阵列化，实现定向纳米柱阵列生长。纳米柱阵列定向生长结构提供载流子择优输运通道，大大增强载流子迁移率，从而提高材料的Seebeck系数和改善材料的电导，导致材料的功率因子大幅提升；纳米柱阵列定向生长结构周期界面可以有利声子散射，导致极大降低材料的热导率。因此，材料微观组织的定向纳米柱阵列化是实现碲化铋基热电材料面内性能突破的重要途径，也为开发新颖纳米柱阵列结构的面内型高效热电器件提供一条思路。

一直以来有多种方法对碲化铋基材料纳米结构进行制备，包括气-液-固催化生长、电化学沉积、球磨兼并热压等方法，这些方法有优点，但也存在缺点，比如，电化学沉积能生长可控尺寸、形状和均匀的纳米线，可是它需要移走Al₂O₃模板；气-液-固催化生长法能沉积单晶纳米线，能很好的控制结构的定向、尺寸和长径比，然而，这方法的产率较低很难用于器件应用中。而且，这些方法几乎不可能大规模组装成有序的纳米线阵列或纳米柱阵列。这种纳米柱阵列定向生长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面内热电性能。在我们以前的工作中，不要使用任何模板，采用简便的物理气相沉积已成功制备出多级次的Sb₂Te₃竖直纳米线束阵列与多级次Bi_1.5Sb_0.5Te₃倾斜柱阵列，而这仍然是挑战，开发一种简单适用的方法可控制备定向Bi₂Te_2.7Se_0.3纳米柱阵列。根据我们所了解的，新颖Bi₂Te_2.7Se_0.3纳米柱阵列结构到目前鲜见报道，更没有如此定向生长的Bi₂Te_2.7Se_0.3纳米柱阵列结构的专利与文献。

因此，提供一种工艺简单、设计合理、效果显著的采用蒸发镀膜-电场诱导可控制备定向Bi-Te-Se纳米柱阵列的方法，是该领域技术人员当前急待解决的难题之一。