一種柔性熱電薄膜器件制造技術

一種柔性熱電薄膜器件，所述器件包括聚酰亞胺柔性基底、銅電極薄膜、鎳過渡層和熱電薄膜，所述熱電薄膜的顆粒粒徑呈梯度排布，所述熱電薄膜包括P型熱電薄膜和N型熱電薄膜，所述P型熱電薄膜和N型熱電薄膜由銅電極薄膜連接，在柔性基底上形成陣列化排布的、串聯的p-n熱電偶對，構成面內型結構的柔性熱電薄膜器件。通過調控濺射參數和熱處理工藝來優化薄膜材料的微觀界面結構，實現無機薄膜在柔性基底上的可靠沉積，獲得可靠的高性能柔性熱電薄膜器件。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種熱電器件，具體講涉及一種磁控濺射技術制備的柔性熱電薄膜器件。
技術介紹
熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉換的功能材料，可以應用于制造溫差發電機、制冷器和傳感器等。常用的熱電材料包括無機熱電材料和有機熱電材料兩大類，熱電材料的性能與Seebeck系數α、電導率σ和熱導率κ三個參數有關，用熱電優值ZT(ZT＝α2σT/κ)這一無量綱量描述，其中的電學部分PF(α2σ)被稱為“功率因子”；熱電材料的功率因子越高，其熱電性能越好。實際應用中，將熱電材料加工成熱電器件。熱電器件的性能用輸出電壓來表征，其計算公式為V＝nαΔT。其中，V代表器件的輸出電壓值，n代表熱電偶對的對數，α代表材料的Seebeck系數值，ΔT代表冷熱兩端的溫差。大多數傳統熱電器件目前一般采用硬性“三明治”結構，包括一個硬質散熱片、一個硬質集熱片和多個熱電偶對；兩個硬質基底相互平行，將熱電偶對夾在二者之間。顯然，這種熱電器件僅能應用于平整表面，這無疑大大限制了應用范圍。因此將熱電器件柔性化成為消除制約的關鍵因素。當前，已經問世的柔性化熱電器件，采用的熱電材料一般為有機熱電材料，但是有機熱電材料的Seebeck系數α和電導率σ相當低，熱電性能遠低于碲化鉍等無機熱電材料，一般無法用于實際；而無機熱電材料又因其本身的脆性難以應用于柔性熱電器件中。另一方面，有機熱電材料的制備方法主要為印刷法或者化學法等，制得的熱電材料與基底間的結合力很弱。事實上，無機熱電材料可以通過薄膜化將其柔性化和高效化統一，但其難點在于如何實現無機熱電薄膜與柔性基底間具有高的結合力，以確保柔性熱電薄膜器件具備高可靠性。因此，解決熱電薄膜與柔性基底間的結合力問題、實現熱電薄膜在柔性基底上的可靠沉積是熱電器件柔性化的關鍵。
技術實現思路
為了克服上述現有技術的不足，本專利技術提供一種具有特殊納米結構的高可靠、高性能柔性熱電薄膜器件。為了實現上述專利技術目的，本專利技術采取如下技術方案：一種柔性熱電薄膜器件，所述器件包括聚酰亞胺柔性基底，在所述基底上依次設置的銅電極薄膜、鎳過渡層和熱電薄膜，所述熱電薄膜的顆粒平均粒徑呈梯度增加，所述熱電薄膜包括P型熱電薄膜和N型熱電薄膜，所述P型熱電薄膜和N型熱電薄膜由銅電極薄膜連接，在柔性基底上形成一系列陣列化排布的、串聯的p-n熱電偶對，構成面內型結構的柔性熱電薄膜器件優選的，所述P型熱電薄膜為Bi2-xSbxTe3(BST)，x＝1.2～2.0，所述N型熱電薄膜為Bi2Te3-xSex(BTS)，x＝0～1.1。優選的，所述熱電薄膜的厚度為1μm±100nm，所述熱電薄膜下層的平均粒徑小于500nm，上層的平均粒徑為500nm～1μm。優選的，所述銅電極薄膜的厚度為100～200nm。優選的，所述鎳過渡層的厚度小于50nm。所述的柔性熱電薄膜器件的制備方法，其步驟包括：(1)用電極掩膜板覆蓋不需要濺射的部分，調控磁控濺射儀在氣壓值1～2Pa，濺射功率20～40W，基底溫度為常溫～200℃的條件下，先在聚酰亞胺柔性基底上線濺射銅電極薄膜1～3h，然后濺射鎳過渡層0.25～0.5h；(2)用電極掩膜板覆蓋不需要濺射的部分，采用Te靶共濺技術濺射熱電薄膜，所述P型熱電薄膜和N型熱電薄膜在柔性基底上形成一系列陣列化排布的、串聯的p-n熱電偶對，構成面內型結構的柔性熱電薄膜器件；優選的所述步驟還包括，將制備的柔性熱電薄膜器件于300～400℃退火0.5～2h。優選的，所述步驟(2)中濺射P型熱電薄膜材料的步驟包括：設濺射時間為t，在前t時間內，將P型熱電薄膜靶材和Te靶材分別安裝在磁控濺射儀的B靶和C靶位置，在B靶：氣壓值1～2Pa，濺射功率30～40W，基底溫度為常溫～350℃，C靶在：氣壓值1～2Pa，濺射功率50～60W，基底溫度為常溫～350℃的條件下磁控濺射；在后t時間內，在B靶：氣壓值2～3Pa，濺射功率40～50W，基底溫度為常溫～350℃，C靶：氣壓值2～3Pa，濺射功率40～50W，基底溫度為常溫～350℃的條件下磁控濺射。優選的，所述步驟(2)中濺射N型熱電薄膜材料的步驟包括：設濺射時間為t，在前t時間內，將N型熱電薄膜靶材和Te靶材分別安裝在磁控濺射儀的B靶和C靶位置，在B靶：氣壓值1～2Pa，濺射功率30～40W，基底溫度為常溫～350℃，C靶：氣壓值1～2Pa，濺射功率50～60W，基底溫度為常溫～350℃的條件下磁控濺射；在后t時間內，在B靶：氣壓值2～3Pa，濺射功率20～30W，基底溫度為常溫～350℃，C靶：氣壓值2～3Pa，濺射功率40～50W，基底溫度為常溫～350℃的條件下磁控濺射。優選的，濺射P型熱電薄膜和N型熱電薄膜的時間分別為2～6小時。采用磁控濺射技術和掩模版依次在聚酰亞胺柔性基底上濺射Cu電極薄膜、Ni過渡層、p型熱電薄膜材料BST(Bi2-xSbxTe3)和n型熱電薄膜材料BTS(Bi2Te3-xSex)，如圖1所示。在濺射熱電薄膜的過程中，需要調控濺射參數來控制薄膜中的顆粒尺寸：假設濺射時間為t，在開始的t時間內，采用高濺射功率值和低氣壓值，以獲得具有較高動能的濺射粒子，這些濺射粒子能夠牢固地附著在柔性基底上，并沿島狀模式生長，形成尺寸較小的顆粒，這些顆粒粒徑需要控制在500nm以內，組成第一顆粒層；在剩下的t時間內，采用低濺射功率值和高氣壓值，以獲得具有較低動能的濺射粒子，形成500nm～1μm左右的顆粒，組成第二顆粒層。上述兩層納米顆粒形成的遞增分布模式可以有效地釋放薄膜中的熱應力，進而增加薄膜與柔性基底間的結合力；另外，第二顆粒層中粒徑較大的薄膜納米顆粒具有完整的晶型，熱電性能較好。聚酰亞胺基底、Cu電極薄膜、Ni過渡層和碲化鉍基熱電薄膜BST、BTS共同組成可靠的高性能柔性熱電薄膜器件，其中：聚酰亞胺基底構成器件的柔性基板；Cu電極薄膜和Ni過渡層構成器件的導電通路，具有連接p-n熱電偶對的作用；BST和BTS分別為器件的p型熱電材料和n型熱電材料，是實現器件功能的主體部分。在溫差存在的情況下，熱流沿著基底平面上的p型熱電材料和n型熱電材料從高溫端流向低溫端，促使載流子(空穴和電子)也從器件的高溫端流向低溫端，從而在器件的輸出端形成與溫差線性相關的電勢差，進而可以獲得相應的電壓信號。本專利技術針對Cu電極薄膜和碲化鉍基熱電薄膜界面處的金-半接觸問題，引入Ni作為過渡層對其界面進行優化控制。Ni過渡層要薄，需控制在50nm以內，以防止其原子通過擴散進入無機熱電薄膜中使其性能下本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種柔性熱電薄膜器件，其特征在于：所述器件包括聚酰亞胺柔性基底，在所述基底上依次設置的銅電極薄膜、鎳過渡層和熱電薄膜，所述熱電薄膜的顆粒平均粒徑呈梯度增加，所述熱電薄膜包括P型熱電薄膜和N型熱電薄膜，所述P型熱電薄膜和N型熱電薄膜由銅電極薄膜連接，在柔性基底上形成陣列化排布的、串聯的p?n熱電偶對，構成面內型結構的柔性熱電薄膜器件。

【技術特征摘要】
1.一種柔性熱電薄膜器件，其特征在于：所述器件包括聚酰亞胺柔性基底，在所述基底上依次設置的銅電極薄膜、鎳過渡層和熱電薄膜，所述熱電薄膜的顆粒平均粒徑呈梯度增加，所述熱電薄膜包括P型熱電薄膜和N型熱電薄膜，所述P型熱電薄膜和N型熱電薄膜由銅電極薄膜連接，在柔性基底上形成陣列化排布的、串聯的p-n熱電偶對，構成面內型結構的柔性熱電薄膜器件。
2.如權利要求1所述的柔性熱電薄膜器件，其特征在于：所述P型熱電薄膜為Bi2-xSbxTe3，x＝1.2～2.0，所述N型熱電薄膜為Bi2Te3-xSex，x＝0～1.1。
3.如權利要求1所述的柔性熱電薄膜器件，其特征在于：所述熱電薄膜下層的平均粒徑小于500nm，上層的平均粒徑為500nm～1μm。
4.如權利要求1所述的柔性熱電薄膜器件，其特征在于：所述銅電極薄膜的厚度為100～200nm。
5.如權利要求1所述的柔性熱電薄膜器件，其特征在于：所述鎳過渡層的厚度小于50nm。
6.如權利要求1所述的柔性熱電薄膜器件的制備方法，其步驟包括：
(1)用電極掩膜板覆蓋不需要濺射的部分，調控磁控濺射儀在氣壓值1～2Pa，濺射功率20～40W，基底溫度為常溫～200℃的條件下，先在聚酰亞胺柔性基底上線濺射銅電極薄膜1～3h，然后濺射鎳過渡層0.25～0.5h；
(2)用電極掩膜板覆蓋不需要濺射的部分，采用Te靶共濺技術濺射熱電薄膜，所述P型熱電薄膜和N型熱電薄膜在柔性基底上形成陣列化排布的、串聯的p-n熱電偶對，構成面內型結構的柔性熱電薄膜器件。
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【專利技術屬性】
技術研發人員：鄧元，祝志祥，陳新，馬光，張義政，韓鈺，陳保安，
申請(專利權)人：國家電網公司，國網智能電網研究院，北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：北京;11