一種用硫酸鉍制備硒化鉍熱電薄膜的方法
【專利說明】一種用硫酸鉍制備砸化鉍熱電薄膜的方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于熱電薄膜制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用硫酸鉍制備砸化鉍熱電薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]能源、材料和信息是現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱。隨著社會發(fā)展能源的需求量增大，而不可再生能源儲量卻在不斷減少，因此對能源尤其是可再生能源的合理開發(fā)和利用愈發(fā)重要。20世紀(jì)之前，中國的主要能源來源為煤炭，可再生能源占總能源消耗量不足1%。煤炭作為傳統(tǒng)化石能源在燃燒后會釋放C02等溫室氣體，進(jìn)而引起全球氣候變暖等棘手的問題，并且煤炭不可再生，我國煤炭人均占有量還不足世界人均占有量的1/2，因此其不能長期作為我國主要能源來源。
[0004]熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是一種新式且環(huán)境友好的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，其中熱電材料又叫溫差電材料，能使熱能與電能進(jìn)行直接的相互轉(zhuǎn)化，方便能源的轉(zhuǎn)換與儲存?；茉礊橹鲗?dǎo)的能源利用導(dǎo)致溫室效應(yīng)和臭氧層破壞等問題愈發(fā)嚴(yán)重，熱電材料作為一種能源轉(zhuǎn)換材料可緩解這兩大問題。熱電材料可以將工農(nóng)業(yè)中產(chǎn)生的廢熱廢氣以及太陽光輻射產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)換為電能，即利用溫差發(fā)電，也可以利用溫差制冷代替氟利昂并減少其對臭氧層的破壞。
[0005]Bi2Se3屬于V2-VI3族，為窄禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度約為0.24eV』i2Te3也具有良好的熱電性能，但是由于全球碲礦儲量有限，并且正在減少，面臨枯竭的危險，Bi2Se3與Bi2Te3相比具有更寬的溫度使用范圍，并且其最佳性能的溫度值通常在室溫下，同時砸礦比碲礦儲量豐富，因此，近年來用Bi2Se3取代Bi2Te3的研究逐漸成為熱點(diǎn)。
[0006]Bi2Se3薄膜的制備方法主要有化學(xué)氣相沉積、連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法、脈沖激光沉積、電沉積法等。其中電沉積法成本低，可操作性強(qiáng)，易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，電沉積法制備Bi2Se3薄膜具有研究意義。
[0007]如前面所述方法一樣，其它方法也有不同的缺陷。與本發(fā)明相關(guān)的還有如下文獻(xiàn):
[1]Vasiliy 0.Pelenovich, Renzheng Xiao, Yong Liu, Panke Liu, Mingkai Li,
Yunbing He，Dejun Fu，Characterizat1n of Bi2Se3:Fe epitaxial films grown bypulsed laser deposit1n, Thin Solid Films 577 (2015) 119-123.主要描述了用脈沖激光沉積以鉍粉為原料制備的Bi2Se3:Fe外延薄膜并對其結(jié)構(gòu)、形貌和電性能進(jìn)行了研究。
[0008][2]Mei Liu, Fu Yan Liu, Bao Yuan Man, Dong Bi，Xue You Xu, Mult1-layered nanostructure Bi2Se3 grown by chemical vapor deposit1n in selenium-rich atmosphere, Applied Surface Science 317 (2014) 257-261.主要描述了在富砸氣氛中用化學(xué)氣相沉積法制備多層納米結(jié)構(gòu)的Bi2Se3D
[0009][ 3 ] B.R.Sankapal，C.D.Lokhande，Photoelectrochemicalcharacterizat1n of Bi2Se3 thin films deposited by SILAR technique, MaterialsChemistry and Physics 73 (2002) 151—155.主要描述了用連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法以硝酸鉍為原料制備Bi2Se3薄膜，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)，形貌和性能分析。
[0010][4]Li Xiaolong, Xue Zhen, The effect of electrochemical condit1ns onmorphology and properties of Bi2Se3 thick films by electrodeposit1n,Materials Letters 129 (2014) 1-4.主要描述了電化學(xué)條件對以硝酸鉍為原料電沉積制備的Bi2Se3形貌和性能的影響。
[0011 ] [5]Chengjing Xiao, Junyou Yang, Wen Zhu, Jiangying Peng, JianshengZhang, Electrodeposit1n and characterizat1n of Bi2Se3 thin films byelectrochemicalatomic layer epitaxy (ECALE)， Electrochimica Acta 54 (2009)6821-6826.主要描述了以硝酸鉍為原料電化學(xué)原子層外延法制備Bi2Se3薄膜及其性能表征。
[0012][6]Α.Ρ.Torane， C.H.Bhosale， Preparat1n and characterizat1n ofelectrodeposited Bi2Se3 thin films from nonaqueous medium, Materials ResearchBulletin 36 (2001) 1915-1924.主要描述了在非水介質(zhì)中以硝酸鉍為原料電沉積制備Bi2Se3薄膜，并研究了不同電解液成分對結(jié)構(gòu)及形貌的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有制備砸化鉍熱電薄膜存在的問題，發(fā)明了一種用硫酸鉍制備砸化鉍熱電薄膜的方法。
[0014]本發(fā)明采用電沉積后熱處理制備砸化鉍薄膜，采用二氧化錫導(dǎo)電玻璃為基片，以Bi2(S04)3，Se02為原料，以稀硝酸為溶劑，按固定摩爾比配制電沉積溶液，先采用晶體管恒電位儀在一定電位和時間下制備前驅(qū)體薄膜，以水合聯(lián)氨為還原劑，在密閉管式爐內(nèi)加熱，使前驅(qū)體薄膜熱處理后得到目標(biāo)產(chǎn)物。
[0015]本發(fā)明的具體制備方法包括如下順序的步驟:
a.進(jìn)行二氧化錫導(dǎo)電玻璃基片的清洗，將大小為20mmX 20mm的玻璃片放入體積比丙酮:蒸餾水=5: 1的溶液中，超聲波清洗30min;再將基片放入乙醇中，超聲波清洗30min;再在蒸餾水中將玻璃基片用超聲振蕩30min;將上述得到的玻璃基片排放在玻璃皿中送入烘箱中，在100°C下烘干供制膜用。
[0016]b.將Bi2(S04)3、Se02放入稀硝酸中，獲得均勻穩(wěn)定的電沉積溶液。具體地說，可以將5.0?10.0份Bi2(S04)3、1.0?2.0份Se02放入1800.0?3600.0份稀硝酸中，使溶液中的物質(zhì)溶解。
[0017]c.將步驟b所述電沉積溶液倒入三電極裝置中，以飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極，二氧化錫導(dǎo)電玻璃為研究電極，采用晶體管恒電位儀在沉積電位為-0.4V下常溫沉積薄膜，沉積時間為20min，自然干燥得到前驅(qū)體薄膜樣品。
[0018]d.將步驟c所得前驅(qū)體薄膜樣品置于支架上，將前驅(qū)體薄膜和水合聯(lián)氨放入管式爐中，前驅(qū)體薄膜樣品不與水合聯(lián)氨接觸，水合聯(lián)氨放入為40.0?50.0份。將管式爐加熱至250?400°C之間，保溫時間1?3h，然后冷卻到室溫取出。
[0019]e.將步驟d所得物，使其常溫自然干燥后，即得到砸化鉍熱電薄膜。
[0020]本發(fā)明不需要高真空條件，對儀器設(shè)備要求低，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高，易于操作。所得砸化鉍熱電薄膜有較好的連續(xù)性和均勻性，主相為Bi2Se3相，可以實(shí)現(xiàn)低成本大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。
[0021]
【附圖說明】
[0022]無
【具體實(shí)施方式】
[0023]實(shí)施例1
a.二氧化錫導(dǎo)電玻璃基片的清洗:如前所述進(jìn)行清洗玻璃基片，基片大小為20mm X20mm ο
[0024]b.將5.0份Bi2(S04)3、l.0份Se02放入1800.0份稀硝酸中，使溶液中的物質(zhì)溶解。
[0025]c.將上述電沉積溶液倒入三電極裝置中，以飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極，二氧化錫導(dǎo)電玻璃為研究電極，采用晶體管恒電位儀在沉積電位為-0.4V下常溫沉積薄膜，沉積時間為20min，自然干燥得到前驅(qū)體薄膜樣品。
[0026]d.將步驟c所得前驅(qū)體薄膜樣品置于支架上，將前驅(qū)體薄膜和水合聯(lián)氨放入管式爐中，前驅(qū)體薄膜樣品不與水合聯(lián)氨接觸，水合聯(lián)氨放入為40.0份。將管式爐加熱至350°C，保溫時間2h，然后冷卻到室溫取出。
[0027]e.將步驟d所得物，進(jìn)行常溫自然干燥，得到砸化鉍熱電薄膜。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用硫酸鉍制備砸化鉍熱電薄膜的方法，包括如下順序的步驟: a.二氧化錫導(dǎo)電玻璃基片的清洗； b.將5.0?10.0份Bi2(S04)3、1.0?2.0份Se02放入1800.0?3600.0份的稀硝酸中，使溶液中的物質(zhì)溶解； c.采用電沉積法將步驟b所述溶液在導(dǎo)電玻璃片上沉積得到前驅(qū)體薄膜，自然干燥，得到前驅(qū)體薄膜樣品； d.將步驟C所得前驅(qū)體薄膜樣品置于支架上，前驅(qū)體薄膜樣品不與水合聯(lián)氨接觸，將前驅(qū)體薄膜和水合聯(lián)氨放入管式爐中；將管式爐加熱至250?400°C之間，保溫時間1?3h，然后冷卻到室溫取出； e.將步驟d所得物，進(jìn)行自然干燥，得到砸化鉍熱電薄膜。2.如權(quán)利要求1所述的一種用硫酸鉍制備砸化鉍熱電薄膜的方法，其特征在于，步驟a所述清洗，是將導(dǎo)電玻璃基片大小為20mmX 20mm，放入體積比丙酮:蒸餾水=5: 1的溶液中，超聲波清洗30min;再將基片放入乙醇中，超聲波清洗30min;再在蒸餾水中將玻璃基片用超聲振蕩30min;將上述得到的玻璃基片排放在玻璃皿中送入烘箱中，在100°C下烘干供制膜用。3.如權(quán)利要求1所述的一種用硫酸鉍制備砸化鉍熱電薄膜的方法，其特征在于，步驟c所述，是將溶液加入三電極裝置中，以飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極，二氧化錫導(dǎo)電玻璃為研究電極，采用晶體管恒電位儀在沉積電位為-0.4V下常溫沉積薄膜，沉積時間為20min，自然干燥得到前驅(qū)體薄膜樣品。4.如權(quán)利要求1所述的一種用硫酸鉍制備砸化鉍熱電薄膜的方法，其特征在于，步驟d所述管式爐內(nèi)放入40.0?50.0份水合聯(lián)氨。
【專利摘要】一種用硫酸鉍制備硒化鉍熱電薄膜的方法，屬于熱電薄膜材料制備技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明通過如下步驟得到，首先清洗二氧化錫導(dǎo)電玻璃基片，然后將Bi2(SO4)3、SeO2放入稀硝酸中，用電沉積法在導(dǎo)電玻璃片上得到前驅(qū)體薄膜，自然干燥，放入加有水合聯(lián)氨的管式爐中，使前驅(qū)體薄膜樣品不與水合聯(lián)氨接觸，在密閉管式爐內(nèi)加熱，最后取出樣品進(jìn)行干燥，得到硒化鉍熱電薄膜。本發(fā)明不需要高真空條件，對儀器設(shè)備要求低，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高，易于操作。所得硒化鉍熱電薄膜有較好的連續(xù)性和均勻性，主相為Bi2Se3相，可以實(shí)現(xiàn)低成本大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。
【IPC分類】H01L35/34, H01L35/16, C01B19/04, C03C17/22
【公開號】CN105439106
【申請?zhí)枴緾N201510943168
【發(fā)明人】劉科高, 李靜, 劉慧 , 徐勇, 石磊
【申請人】山東建筑大學(xué)
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年12月17日