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低温纳米热电材料的制备和性能研究

作　者: 疏敏
导　师: 王学生；戚学贵
学　校: 华东理工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 热电薄膜 磁控溅射 低温 Bi/Sb
分类号: TB34
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


半导体温差发电技术是利用半导体热电材料将热能转化为电能的全静态直接发电方式,是实现LNG冷能温差发电的一种颇具前景的途径。本课题从目前在低温区表现性能最好的热电材料Bi-Sb合金入手,应用低维纳米技术提高其在低温下的热电性能,使其能很好的用于回收LNG冷能的温差发电器中。通过优化磁控溅射过程中的操作参数,均匀沉积纳米尺度的热电薄膜,探索制备出高性能的热电材料。本课题通过磁控溅射技术制备了Bi/Sb晶格复合结构的纳米多层热电薄膜材料。为了制备出性能优异的晶格复合薄膜材料,首先实验研究了单层Bi薄膜和单层Sb薄膜的最佳磁控溅射制备参数；然后在此基础上,分别研究了薄膜成分的调制周期和调制比对多层薄膜的热电性能和结构形貌的影响。通过对比研究找到合适的调制周期和调制比,使得制备的薄膜材料的热电性能表现最好。研究了当固定调制周期为40nm时,Bi和Sb的调制比分别为1：1、3：2、4：1和1：4四种情况,及设定调制比为1：1时,调制周期分别为20nm、30nm和40nm三种情况下,Bi/Sb晶格复合薄膜的Seebeck系数和电导率在160K-250K温度范围内随温度的变化情况。此外,还根据薄膜Seebeck系数和电导率测试的原理设计并搭建了低温下薄膜材料的热电性能测试实验系统,可对薄膜的Seebeck系数和电导率在温度范围80K-270K内进行测试。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章 绪论  9-22
  1.1 研究背景与意义  9-10
  1.2 LNG冷能利用  10-12
  1.3 温差发电技术  12-13
  1.4 热电材料概述  13-20
    1.4.1 热电材料的研究现状  15
    1.4.2 低维热电材料  15-17
    1.4.3 低温区热电材料  17-18
    1.4.4 温差电材料的热电性能参数  18-20
  1.5 本课题研究的主要内容及意义  20-22
第2章 薄膜的制备及其结构和性能表征方法  22-32
  2.1 引言  22
  2.2 热电薄膜材料的制备方法  22-24
  2.3 磁控溅射技术制备薄膜材料  24-28
    2.3.1 本课题薄膜制备方法及设备  26-27
    2.3.2 实验基片的选择和处理  27-28
  2.4 热电薄膜材料的结构和性能表征  28-31
    2.4.1 材料组织结构表征  28-30
    2.4.2 薄膜的热电性能测试  30-31
  2.5 本章小结  31-32
第3章 低温下热电性能测试系统的设计及建立  32-37
  3.1 Seebeck系数测试原理  32-33
  3.2 电导率测试原理  33
  3.3 热电性能测试系统装置的设计  33-35
  3.4 热电性能测试系统的应用  35-36
    3.4.1 热电薄膜材料Seebeck电动势的测试  35
    3.4.2 薄膜电导率的测试  35-36
  3.5 本章小结  36-37
第4章 Bi/Sb基薄膜热电材料的制备和性能测试  37-55
  4.1 引言  37
  4.2 薄膜制备一般流程  37-38
  4.3 Bi/Sb薄膜材料的制备与成分调制  38-44
    4.3.1 单层Bi薄膜溅射条件的优化  38-42
    4.3.2 单层Sb薄膜溅射条件的优化  42
    4.3.3 Bi/Sb薄膜材料的制备  42-44
  4.4 调制比对Bi/Sb薄膜材料性能的影响  44-53
    4.4.1 不同调制比的Bi/Sb纳米多层膜制备  45
    4.4.2 不同调制比的Bi/Sb纳米多层膜的表征  45-50
    4.4.3 不同调制比的Bi/Sb纳米多层膜的热电性能测试  50-53
  4.5 本章小结  53-55
第5章 调制周期对Bi/Sb薄膜材料性能的影响  55-62
  5.1 不同调制周期的Bi/Sb纳米多层膜制备  55
  5.2 薄膜的表征  55-58
  5.3 薄膜的热电性能测试  58-60
  5.4 本章小结  60-62
第6章 结论与展望  62-64
  6.1 总结  62-63
  6.2 建议与展望  63-64
参考文献  64-68
致谢  68-69
硕士学位期间已发表的论文及获得的奖励及参加的项目  69

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 功能材料
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