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碲化铋(Bi2Te3)基化合物是当前室温下性能最好的商用热电材料,对Bi2Te3基热电材料进行纳米低维化和掺杂改性可以进一步提高其热电性能。电化学沉积技术是目前研究较多的热电材料薄膜制备方法之一,具有工艺简单、成本低、易于控制材料的化学成分、结晶组织和晶粒大小等优点。本论文的主要目标是采用电化学方法,通过元素掺杂来制备结构致密、不易开裂,且具有一定热电性能的掺杂Bi2Te3热电薄膜。通过选择掺杂Bi2Te3基热电材料作为研究对象,采用循环伏安技术对Bi-Te-P三元体系,Bi-Te-P-Ni和Bi-Te-P-Co四元体系在不锈钢基片上的电化学行为进行了系统的研究。利用恒电位的电化学沉积方式,在不锈钢基底上制备出不同元素掺杂的Bi2Te3基薄膜材料,并研究薄膜组织结构的变化以及薄膜结构成分对材料热电性能的影响。
研究表明,室温下沉积电位为-200 mV时得到的近化学计量比的单相磷(P)掺杂Bi2Te3薄膜为n型半导体,P原子进入了Bi2Te3晶体中以范德华力相结合的Te(1)-Te(1)原子层间,形成P原子夹层,薄膜霍尔系数为-1.76×10-2 m3/C,热导率为0.47 W/(m·K),仅是块体材料的三分之一。沉积电位为-230 mV时,P掺杂Bi2Te3薄膜的最大电导率为345 S/cm,P原子的掺杂量为0.9％;而同样沉积电位下得到的P-Ni共掺杂的Bi2Te3薄膜,其最大电导率高达1450 S/cm,P和Ni原子的共掺杂量达到4.01％;沉积电位为-70 mV时,P-Co共掺杂的Bi2Te3薄膜的最大电导率达757 S/cm,P和Ni原子共掺杂量为3.34％。因此,在室温范围内,多元掺杂能够提高材料的电导率,是改善材料温差电性能的有效方法。
电沉积得到的P掺杂和P-Ni共掺杂的Bi2Te3薄膜,都具有单相Bi2Te3菱方结构,且通过改变沉积电位,可以实现P掺杂的Bi2Te3薄膜结晶取向的改变,但沉积电位对P-Ni共掺杂的Bi2Te3薄膜的结晶取向影响不大;而P-Co共掺杂的Bi2Te3薄膜虽然也具有单相Bi2Te3菱方结构,但容易共生BiPO4和P2O5杂质,改变沉积电位同样可以改变P-Co共掺杂的Bi2Te3薄膜的结晶取向。