电沉积SnS薄膜的织构调控及其热电性能的研究

摘要

热电材料作为一种非常有潜力的能量转换装置，可将废热转化为电能。由于SnS在室温下具有特殊的正交晶体结构，使其在择优的晶体取向上可能获得优异的热电性能。本文采用成本低、可批量制备以及工艺可控的电沉积方法，恒电位制备了纯相SnS薄膜，探索了制备过程中的电沉积参数、镀液条件以及共沉积机理，同时在不改变薄膜成分的前提下，通过加入表面活性剂制得不同织构的SnS，研究了不同织构的SnS薄膜的热电性能。
　　研究表明，在K4P2O7·3H2O的作用下，S的析出电位正移，容易实现与Sn的共沉积。得到优化的电沉积溶液配方为90mM的K4P2O7·3H2O、30mM的SnCl2·2H2O以及100mM的Na2S2O3·5H2O，在水浴温度为30℃、沉积电位-1.0V、退火温度200℃、沉积时间20min的条件下制备了纯相n型SnS薄膜。
　　通过加入表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)制得了沿着(001)晶面具有择优取向的SnS薄膜，当SDS浓度为0.03g/L时，薄膜成分和结构不发生变化，其(001)晶面的织构系数为1.59;在加入0.03g/L的十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）时，SnS沿着(100)晶面的择优生长，其织构系数可高达4.14;在加入0.03g/L的尿素时，并且薄膜沿着(010)晶面的择优生长，XRD衍射结果表明沿着(010)晶面的织构系数达2.01。
　　因此，通过加入不同表面活性剂控制了薄膜织构，具有(100)织构SnS薄膜的热电性能低于无织构SnS薄膜的热电性能，而(001)以及(010)织构的SnS薄膜的热电性能高于无织构SnS薄膜的热电性能，在(010)织构的SnS薄膜具有最低的ρ以及最高的PF，分别为9.372×10-4ohm·m和2.619×10-4W·m-1·K-2，其电导率是无织构的8.24倍，PF是无织构的8.13倍。可大幅度提高SnS热电转换效率，使这种薄膜在热电转换领域具有良好的应用前景.

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 热电理论研究背景简介

1．2．1 热电效应

1．2．2 热电性能的影响参数

1．3 热电材料研究现状

1．3．1 氧化物热电材料

1．3．2 合金半导体热电材料

1．4 SnS热电材料的研究

1．5 SnS的物理化学性质

1．6 SnS薄膜的制备方法

1．6．1 电沉积法

1．6．2 模板辅助的电沉积法

1．6．3 化学浴法

1．6．4 化学气相沉积法

1．6．5 溶胶-凝胶法

1．6．6 热蒸发法

1．7 本文的主要研究目的、意义、内容及其创新

第二章 实验材料的制备及其测试

2．1 实验材料以及仪器

2．1．1 主要使用的化学试剂

2．1．2 主要使用的实验仪器

2．2 实验方法

2．2．1 实验装置

2．2．2 基片的前处理

2．3 样品所用到的表征手段

2．4 样品性能测试

第三章 SnS半导体薄膜的电化学制备与表征

3．1 电沉积SnS的电化学影响因素的条件研究

3．1．1 SnCl2溶液加入K4P2O7络合剂后的极化行为

3．1．2 络合剂对于Na2S2O3·5H2O阴极极化行为的影响

3．1．3 电沉积液中的电化学行为

3．2 pH值对薄膜组分的影响

3．3 沉积电位以及退火温度对薄膜结构、组分以及形貌的影响

3．3．1 沉积电位-0．9V时，退火温度对结构、形貌、组分的影响

3．3．2 沉积电位-1．0V时．退火温度对结构、形貌、组分的影响

3．3．3 沉积电位-1．1V时，退火温度对结构、形貌、组分的影响

3．4 沉积时间对结构、组分以及形貌的影响

3．4．1 沉积时间对结构的影响

3．4．2 沉积时间对形貌的影响

3．4．3 沉积时间对成分的影响

3．4．4不同沉积时间的Raman表征

3．5 薄膜的热电性能

3．6 本章小结

第四章 (001)织构的SnS薄膜的制备及其研究

4．1 (001)织构晶面的SnS薄膜的制备

4．1．1 加入不同量SDS对结构的影响

4．1．2 加入不同量SDS对形貌的影响

4．1．3 加入不同量SDS对成分的影响

4．1．4 加入不同量SDS的Raman表征

4．2 (001)织构晶面的SnS薄膜的热电性能

4．3 本章小结

第五章 (100)织构的SnS薄膜的制备及其研究

5．1 (001)织构晶面的SnS薄膜的制备

5．1．1 加入不同量的CTAB对结构的影响

5．1．2 加入不同量CTAB对形貌的影响

5．1．3 加入不同量CTAB对成分的影响

5．1．4 加入不同量CTAB的Raman表征

5．2 (100)织构晶面的SnS薄膜的热电性能

5．3 本章小结

第六章 (010)织构的SnS薄膜的制备及其研究

6．1 (010)织构晶面的SnS薄膜的制备

6．1．1 加入不同量尿素对结构的影响

6．1．2 加入不同量尿素对形貌的影响

6．1．3 加入不同量尿素对成分的影响

6．1．4 加入不同量尿素的Raman表征

6．2 (010)织构晶面的SnS薄膜的热电性能

6．3 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

作者及导师介绍