碲化鉍熱電薄膜的電沉積制備與形貌分析

劉磊，蘇杰 ，馬昊 ，張漢，高玉微

(1.河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071002；2.中國科學院 半導體研究所，北京 100083)

熱電材料所獨有的Seebeck效應和Peltier效應使其在溫差發電與溫差制冷方面有著廣泛的應用，如空間飛行器的電源、測溫熱偶，以及CCD相機與激光器的制冷器等方面[1].同時，電子技術與微納技術的不斷發展對熱電材料的要求越來越高，而相對于傳統的塊體材料，熱電薄膜材料具備更優異的物理性能與工藝適配性[2].Bi2Te3以及其衍生化合物被認為是近室溫范圍內熱電優值最好的熱電材料，近年來Bi2Te3薄膜與其低維納米材料的制備與研究工作備受國內外研究者關注[3-9].

Bi2Te3薄膜的制備主要利用快速蒸發[10]、有機物氣相淀積(MOVCD)[11]和分子束外延(MBE)技術[12]，但這些制備工藝往往需要復雜的設備，工藝成本較高.而電沉積技術具有薄膜制備溫度低、沉積薄膜面積大、成本低等優點，非常適用于Bi2Te3薄膜的制備.目前國外利用電沉積技術制備Bi2Te3薄膜已經見諸報道[13-15]，國內楊君友等[16]利用電化學原子層外延技術成功制備了Bi2Te3薄膜，王為等[17]也利用電沉積技術制備了Bi2Te3納米線，但總體上看國內對于Bi2Te3材料的電沉積制備研究還較少，有待進一步深入.本文首先利用電化學沉積技術通過循環伏安法確定Bi2Te3薄膜共沉積電位，然后利用X線衍射分析(XRD)、掃描電鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)對沉積薄膜成分和形貌進行了表征.

1 實驗

1.1 沉積溶液配比

1.2 循環伏安法測試與薄膜的表征

2 結果與討論

2.1 循環伏安測試結果

(1)

(2)

-560 mV處的還原峰可能是高價氧化態Te還原為低價氧化態的結果.

a ba.15 mmol/L Bi3+；b.10 mmol/L HTe.圖1 Bi3+和分別在1 mol HNO3酸溶液中的循環伏安測試曲線Fig.1 Cyclic voltammogram of Bi3+ and HTe in 1 mol HNO3

(3)

圖2 15 mmol/L Bi3+和10 mmol/共存1 mol HNO3酸溶液中的循環伏安測試曲線Fig.2 Cyclic voltammogram of 15mmol/L Bi3+and 10mmol/L HTe coexist in 1mol HNO3

2.2 X線衍射分析

2.3 掃描電鏡分析

利用掃描電鏡(SEM)觀察了退火后的-50 mV，20 mA·cm-2條件下電沉積得到的Bi2Te3薄膜，結果如圖4所示.由圖4可知，電沉積得到的Bi2Te3薄膜為典型的多晶薄膜，且多晶顆粒致密均勻，晶粒大小約在1×0.3 μm左右.利用X線能譜分析(EDAX)確定了Bi原子為39.7%，Te原子為60.3%，符合Bi2Te3的化學計量比.

圖3 電沉積Bi2Te3薄膜的X線衍射 Fig.3 X-ray diffraction pattern of electrodeposited Bi2Te3 film

圖4 Bi2Te3薄膜的掃描電鏡分析Fig.4 SEM image of electrodeposited Bi2Te3 film

2.4 原子力顯微鏡分析

為進一步了解電沉積條件對電沉積薄膜質量的影響，先后在20，50，80，110 mA·cm-24種沉積電流密度下制備Bi2Te3薄膜，以上4種電流密度對應的沉積電位均為-50 mV.對不同條件下制備的Bi2Te3薄膜在高真空200 ℃下退火20 min，然后利用AFM觀察了其表面形貌，結果如圖5所示.由圖5可知，沉積電流密度為20 mA·cm-2條件下得到的Bi2Te3薄膜的晶粒尺寸與SEM觀察的結果基本吻合，晶粒大小約在1×0.3 μm左右.隨沉積電流的增大，晶粒尺寸明顯減小，110 mA·cm-2沉積電流密度下得到的晶粒大小約為0.3×0.3 μm左右，而且表面粗糙度隨沉積電流增大而減小，這是由于沉積電流密度增大一方面使薄膜生長速率增大，另一方面也使得襯底表面成核密度增大，因此使晶粒的平均尺寸減小.

a.20 mA·cm-2;b.50 mA·cm-2;c.80 mA·cm-2;d.110 mA·cm-2.圖5 不同沉積電流密度下的Bi2Te3薄膜原子力顯微鏡圖像Fig.5 AFM images of Bi2Te3 films electrodeposited under different current densities

3 結論

參 考 文 獻:

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