碲化铋热电薄膜的电沉积制备与形貌分析

刘磊，苏杰 ，马昊 ，张汉，高玉微

(1.河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002；2.中国科学院 半导体研究所，北京 100083)

热电材料所独有的Seebeck效应和Peltier效应使其在温差发电与温差制冷方面有着广泛的应用，如空间飞行器的电源、测温热偶，以及CCD相机与激光器的制冷器等方面[1].同时，电子技术与微纳技术的不断发展对热电材料的要求越来越高，而相对于传统的块体材料，热电薄膜材料具备更优异的物理性能与工艺适配性[2].Bi2Te3以及其衍生化合物被认为是近室温范围内热电优值最好的热电材料，近年来Bi2Te3薄膜与其低维纳米材料的制备与研究工作备受国内外研究者关注[3-9].

Bi2Te3薄膜的制备主要利用快速蒸发[10]、有机物气相淀积(MOVCD)[11]和分子束外延(MBE)技术[12]，但这些制备工艺往往需要复杂的设备，工艺成本较高.而电沉积技术具有薄膜制备温度低、沉积薄膜面积大、成本低等优点，非常适用于Bi2Te3薄膜的制备.目前国外利用电沉积技术制备Bi2Te3薄膜已经见诸报道[13-15]，国内杨君友等[16]利用电化学原子层外延技术成功制备了Bi2Te3薄膜，王为等[17]也利用电沉积技术制备了Bi2Te3纳米线，但总体上看国内对于Bi2Te3材料的电沉积制备研究还较少，有待进一步深入.本文首先利用电化学沉积技术通过循环伏安法确定Bi2Te3薄膜共沉积电位，然后利用X线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对沉积薄膜成分和形貌进行了表征.

1 实验

1.1 沉积溶液配比

1.2 循环伏安法测试与薄膜的表征

2 结果与讨论

2.1 循环伏安测试结果

(1)

(2)

-560 mV处的还原峰可能是高价氧化态Te还原为低价氧化态的结果.

a ba.15 mmol/L Bi3+；b.10 mmol/L HTe.图1 Bi3+和分别在1 mol HNO3酸溶液中的循环伏安测试曲线Fig.1 Cyclic voltammogram of Bi3+ and HTe in 1 mol HNO3

(3)

图2 15 mmol/L Bi3+和10 mmol/共存1 mol HNO3酸溶液中的循环伏安测试曲线Fig.2 Cyclic voltammogram of 15mmol/L Bi3+and 10mmol/L HTe coexist in 1mol HNO3

2.2 X线衍射分析

2.3 扫描电镜分析

利用扫描电镜(SEM)观察了退火后的-50 mV，20 mA·cm-2条件下电沉积得到的Bi2Te3薄膜，结果如图4所示.由图4可知，电沉积得到的Bi2Te3薄膜为典型的多晶薄膜，且多晶颗粒致密均匀，晶粒大小约在1×0.3 μm左右.利用X线能谱分析(EDAX)确定了Bi原子为39.7%，Te原子为60.3%，符合Bi2Te3的化学计量比.

图3 电沉积Bi2Te3薄膜的X线衍射 Fig.3 X-ray diffraction pattern of electrodeposited Bi2Te3 film

图4 Bi2Te3薄膜的扫描电镜分析Fig.4 SEM image of electrodeposited Bi2Te3 film

2.4 原子力显微镜分析

为进一步了解电沉积条件对电沉积薄膜质量的影响，先后在20，50，80，110 mA·cm-24种沉积电流密度下制备Bi2Te3薄膜，以上4种电流密度对应的沉积电位均为-50 mV.对不同条件下制备的Bi2Te3薄膜在高真空200 ℃下退火20 min，然后利用AFM观察了其表面形貌，结果如图5所示.由图5可知，沉积电流密度为20 mA·cm-2条件下得到的Bi2Te3薄膜的晶粒尺寸与SEM观察的结果基本吻合，晶粒大小约在1×0.3 μm左右.随沉积电流的增大，晶粒尺寸明显减小，110 mA·cm-2沉积电流密度下得到的晶粒大小约为0.3×0.3 μm左右，而且表面粗糙度随沉积电流增大而减小，这是由于沉积电流密度增大一方面使薄膜生长速率增大，另一方面也使得衬底表面成核密度增大，因此使晶粒的平均尺寸减小.

a.20 mA·cm-2;b.50 mA·cm-2;c.80 mA·cm-2;d.110 mA·cm-2.图5 不同沉积电流密度下的Bi2Te3薄膜原子力显微镜图像Fig.5 AFM images of Bi2Te3 films electrodeposited under different current densities

3 结论

参 考 文 献:

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