VA－VIA族化合物半导体纳米热电薄膜的电化学原子层外延生长

【摘要】：纳米薄膜热电材料在集成电路、微电子、光电子技术领域和生物芯片、医疗器材及国防军工领域都有非常诱人的应用前景。然而当前其主要制备方法分别存在原材料成本高、高温生长、工艺复杂、环境污染等一系列问题。本论文采用电化学沉积与原子层外延相结合形成一种低成本、过程易控、室温沉积、环境负荷小的新方法-电化学原子层外延法(Electrochemical Atomic Layer Epitaxy; 以下简称ECALE),首次成功外延生长出了Bi_2Te_3、Sb_2Te_3纳米薄膜热电材料。通过电化学分析、X 射线衍射分析(XRD)、能量弥散X 衍射分光计(EDX)、扫描电子显微分析(SEM/FESEM)、电子探针显微分析(EPMA)、光电子能谱分析(XPS)、红外光谱分析(FTIR)等多种分析测试手段,研究优化了纳米薄膜热电材料的沉积工艺,探讨了纳米薄膜热电材料的沉积生长热力学规律等基础科学问题。本论文首次采用ECALE 法制备Bi_2Te_3、Sb_2Te_3 VA-VIA 族化合物纳米薄膜热电材料,是一项非常有意义的创新性探索,对发展薄膜热电材料及其器件的新型制备方法,进一步提高其热电性能,拓宽其应用范围都有重要的学术研究价值和广阔的应用前景。 本文第一部分首先介绍了热电效应及其应用、材料的热电效率及提高材料热电效率的途径,并对热电材料的研究进展、纳米薄膜热电材料制备方法,以及电化学原子层外延的特点及欠电势沉积的基本原理作了详细的综述,在此基础上指出了本文的研究目的和意义。详细介绍了我们自行设计、研制的ECALE 纳米薄膜自动沉积系统。并对关键部件如溶液自动转换系统、薄层电化学池系统、电化学测试系统进行了较为详细的阐述。第二部分采用循环伏安法、阳极动电位扫描和库仑计量法等多种电化学分析手段对VA 族元素Bi、Sb,和VIA 族元素Te 分别在铂、冷轧银、多晶金衬底上以及VA、VIA族元素相互在各自表面上的欠电位沉积特性进行了分析,确定了Bi_2Te_3、Sb_2Te_3在不同衬底上ECALE 生长的最佳工艺参数。详细研究了Bi_2Te_3、Sb_2Te_3薄膜在不同衬底上的ECALE 生长过程及热力学规律。分析了沉积薄膜的形貌和组织结构。同时对电化学原子层外延沉积热力学进行了初步的理论探讨。确定了Bi_2Te_3薄膜在铂衬底上ECALE 生