硫酸体系Cu-Se化合物热电薄膜材料的电化学还原机理探索及制备工艺研究

摘要

近年来，工业发展和世界人口剧增带来的环境污染、能源短缺等问题日益严重，绿色可持续发展的热电转换技术受到了科研人员的广泛关注，对热电材料研究的成为重点。p型α-Cu2Se化合物的特殊结构使它成为中温条件下性能优异的热电材料。本文以制备高性能p型α-Cu2Se薄膜热电材料为目的，系统研究了硫酸溶液中CuII和SeIV的电化学还原过程。在此基础上，研究了电沉积Cu-Se化合物薄膜材料的制备工艺。利用能谱（EDS）、扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等测试手段，分析了电沉积制备Cu-Se化合物薄膜材料的成分、表面形貌及物相，获得了制备α-Cu2Se的最佳工艺，分析了最佳工艺条件下制备α-Cu2Se薄膜材料的性能。 采用循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）和交流阻抗法（EIS）等电化学测试技术，分析了Cu单组份溶液、Se单组份溶液和Cu-Se双组分溶液的电化学还原过程。探究了非离子表面活性剂SA、阳离子表面活性剂SB、溶液温度、溶液pH值等因素对Cu单组份溶液、Se单组份溶液和Cu-Se双组分溶液电化学还原过程的影响。研究表明，在Cu单组分溶液中，CuII的还原分两步进行，即CuII先得到一个电子还原为Cu+，Cu+再得到一个电子还原为Cu0。在Se单组份溶液中，SeIV的电化学还原过程分三步进行。以H2SeO3形式存在的SeIV首先得两个电子还原为SeII，随后SeII再得两个电子还原为Se0，在更负的电位下，Se0得两个电子还原为Se-II。在Cu-Se双组份溶液中的电化学还原过程分三步进行，分步生成CuSe，Cu3Se2和Cu2Se。通过霍尔槽试验、恒电位沉积实验，考察了溶液pH值、溶液温度、沉积电位等工艺参数对电沉积制备Cu-Se化合物薄膜热电材料的表面形貌、成分及热电性能的影响，得到优化工艺为：溶液组成为70 mM的CuSO4·5H2O，45mM的H2SeO3，2mL摩尔浓度为0.05%的SA10000；溶液pH值为2.0，溶液温度为30℃，沉积电位为0.04V。最优工艺条件下制备的 Cu-Se化合物为α-Cu2Se，为p型半导体材料，塞贝克系数为106.0?V/K，功率因子为0.53 mW/(K2m)。

目录

声明

第1章 绪论

1. 1 前言

1. 2 热电效应基本原理

1. 3 温差电技术的应用

1.4 Cu-Se基热电材料研究现状

1. 5 表面活性剂

1. 6 本课题研究的内容和意义

第2章 研究方法

2. 1 实验仪器及试剂

2. 2 电化学测试

2.3 电沉积Cu-Se薄膜

2. 4 电沉积材料的后处理

2. 5 电沉积材料成分，结构及形貌分析

2. 6 性能分析

第3章 硫酸体系Cu-Se化合物的电化学还原动力学研究

3. 1 前言

3. 2 研究方法

3.3 Cu单组份溶液的电化学还原过程研究

3.4 Se单组份溶液的电化学还原过程研究

3.5 Cu-Se双组份溶液的电化学还原过程研究

3. 6 本章小结

第4章 电沉积Cu-Se化合物工艺研究

4. 1 前言

4. 2 研究方法

4. 3 工艺参数对电沉积Cu-S e化合物表面形貌及组成的影响

4.4 电沉积Cu-Se化合物的形貌及结构分析

4. 5 本章总结

第5章 结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢