基于电化学技术的温差电材料和微型温差发电器制备及相关机理研究

论文摘要

作为一种特殊的微动力能源,微型温差发电器在微机电系统（MEMS）中的应用前景引起了人们极大的兴趣,电化学沉积方法在制备微米级尺寸的温差电材料方面具有显著的优势,本文对Bi3+和HTeO2+离子的电化学还原过程展开了详细的研究,并尝试了利用电化学沉积方法制备Bi2Te3纳米线材料,在温差电材料研究的基础上,对微型温差发电器的结构设计和制造过程进行了详细的探讨。首先利用循环伏安、阴极极化和电化学阻抗等电化学测试方法研究了HTeO2+和Bi3+离子的还原过程,结合XRD和EDS对不同电位下沉积产物的分析结果,提出了还原过程中的反应机理。在不同的HTeO2+和Bi3+离子浓度比例下,还原过程有着很大的差别。利用循环伏安法对不同的溶液配比进行比较,选择了合适的溶液组成进行Bi2Te3的沉积,对此溶液中不同电位下得到的薄膜材料进行了形貌和组成分析。接着研究了沉积电位和微区尺寸对微区内沉积Bi2Te3材料的影响,并对制备的温差电薄膜材料的赛贝克系数进行了测定。在此基础上,设计了微型温差发电器的结构和可行的制备路线,结合MEMS加工和电化学技术实现了所需图案和结构的构造,最终成功地组装出了发电器,实现了256个微型温差电单体的串连,并对发电器做了性能测试。在同一个负载下,电压输出与温差基本成线性正比的关系,对于一定的温差来说,当负载电阻与发电器的内阻相同时功率有最高值。研究了草酸溶液体系中通过阳极氧化的方法制备纳米孔模板,结果表明加入添加剂的体系生成的氧化铝多孔膜的纳米孔孔径较小,孔隙率较高,孔形较规整。以氧化铝膜作为模板进行Bi2Te3的沉积,研究了沉积电位、模板厚度和孔径等对电沉积过程的影响。采用透射电镜TEM对沉积的温差电纳米线进行分析,并对纳米线阵列材料的温差电性能进行测试。以纳米线温差电材料为基础,首次设计出了一种新型结构的微温差发电器,并对设计的工艺路线进行了可行性的研究,其独特之处在于将纳米线温差电材料首次应用在微型发电器上。同时对工艺中存在的问题进行了原因分析,为进一步的研究做准备。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 温差电材料概述
• 1.2.1 温差电材料的热电效应
• 1.2.2 温差电材料热电性能的表征
• 1.3 温差电材料的组成
• 1.4 温差电材料的制备方法研究
• 1.4.1 块状温差电材料的制备研究
• 1.4.2 薄膜温差电材料的制备研究
• 1.4.3 低维温差电材料的制备研究
• 1.5 温差发电器
• 1.5.1 温差电偶
• 1.5.2 温差发电器的结构
• 1.6 微型温差发电器的研究状况
• 1.6.1 微型温差发电器的结构
• 1.6.2 微型温差发电器的制备工艺
• 1.7 本论文研究目的与研究内容
• 1.7.1 研究目的
• 1.7.2 研究内容
• 第二章 铋碲化合物的沉积机理研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 电化学沉积及测试
• 2.2.2 金片前处理过程
• 2.2.3 溶液体系组成
• 2.2.4 沉积物组成、结构和形貌分析
• 2.2.5 材料赛贝克系数测试
• 2.3 纯铋和纯碲溶液的电化学行为研究
• 2.3.1 纯铋和纯碲溶液的循环伏安和线性电位扫描分析
• 2.3.2 纯铋和纯碲溶液的计时电流法分析
• 2.3.3 纯铋和纯碲溶液的电化学交流阻抗分析
• 2.4 铋碲混合溶液的电化学行为分析
• 2+和1mMBi³⁺ 溶液体系中的电化学行为分析'>2.4.110 mMHTeO²⁺和1mMBi³⁺溶液体系中的电化学行为分析
• 2+和10mMBi³⁺ 溶液体系中的电化学行为分析'>2.4.21 mMHTeO²⁺和10mMBi³⁺溶液体系中的电化学行为分析
• 2+和10mMBi³⁺ 溶液体系中的电化学行为分析'>2.4.310 mMHTeO²⁺和10mMBi³⁺溶液体系中的电化学行为分析
• 2+和Bi³⁺ 溶液体系中的电化学交流阻抗分析'>2.4.4 HTeO²⁺和Bi³⁺溶液体系中的电化学交流阻抗分析
• 3+和HTeO²⁺混合溶液中存在的还原反应过程'>2.5 Bi³⁺和HTeO²⁺混合溶液中存在的还原反应过程
• 2.6 溶液配方的选择
• 2.7 制备的薄膜碲化铋材料的形貌和性能
• 2.8 本章小节
• 2Te₃材料工艺研究'>第三章 微区内电化学沉积薄膜Bi₂Te₃材料工艺研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 电化学沉积及测试装置
• 3.2.2 光刻工艺
• 3.2.3 金片上微区图案的制作
• 3.2.4 镀液体系及试样
• 3.2.5 沉积物组成、结构和形貌分析
• 3.2.6 温差电性能测试
• 3.3 微区内铋碲化合物沉积过程的研究
• 3.3.1 同一尺寸微区内不同铋碲溶液配方的极化曲线分析
• 3.3.2 镀液配方的选择
• 3.3.3 沉积电位对温差电材料形貌的影响
• 3.3.4 沉积电位对温差电材料结构的影响
• 3.3.5 不同微区尺寸对沉积过程的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于薄膜温差电材料的微型温差发电器的结构设计
• 4.1 微型温差发电器的结构
• 4.2 制备工艺路线设计
• 4.3 本章小结
• 第五章 基于薄膜温差电材料的微型温差发电器
• 5.1 实验方法
• 5.1.1 实验所用设备
• 5.1.2 实验所用感光胶的光刻工艺
• 5.1.3 光刻工艺中用到的掩模板
• 5.1.4 金属刻蚀工艺
• 5.1.5 金属蒸镀工艺
• 5.1.6 电镀Au 和PbSn 工艺
• 5.2 微型温差发电器的制备过程
• 5.2.1 基片的准备
• 5.2.2 基片上构造导电层
• 5.2.3 温差电单体基片的制备
• 5.2.4 焊接单体基片的制备
• 5.2.5 对焊
• 5.4 微型温差发电器的性能
• 5.5 本章小结
• 第六章 氧化铝模板内电沉积制备Bi2Te3纳米线
• 6.1 前言
• 6.2 实验方法
• 6.2.1 氧化铝多孔膜的制备工艺
• 2Te₃'>6.2.2 氧化铝膜纳米孔内电沉积Bi₂Te₃
• 6.2.3 形貌、组成及结构分析
• 6.2.4 热电性能分析
• 6.3 氧化铝膜的制备研究
• 6.3.1 有机添加剂对氧化铝膜结构的影响
• 6.3.2 有机添加剂对氧化铝多孔膜力学性能的影响
• 6.4 氧化铝模板内铋碲纳米线阵列的电沉积过程研究
• 6.4.1 沉积电位对铋碲纳米线阵列电沉积过程的影响
• 6.4.2 氧化铝模板厚度对铋碲纳米线阵列沉积过程的影响
• 6.4.3 孔径对沉积过程的影响
• 6.4.4 温度对沉积过程的影响
• 6.5 铋碲纳米线阵列的形貌
• 6.6 铋碲纳米线阵列温差电性能
• 6.6.1 沉积电位对铋碲纳米线温差电性能的影响
• 6.6.2 氧化铝模板厚度对铋碲纳米线温差电性能的影响
• 6.7 电沉积条件对纳米线温差电材料阵列电阻的影响
• 6.7.1 沉积电位的影响
• 6.7.2 纳米孔孔径对电阻的影响
• 6.8 本章小结
• 第七章 基于纳米线温差电材料的微型温差发电器的结构及工艺流程设计
• 7.1 前言
• 7.2 器件的结构设计
• 7.3 制备工艺路线设计
• 7.4 本章小结
• 第八章 基于纳米线温差电材料的微型温差发电器的制备工艺研究
• 8.1 前言
• 8.2 实验方法
• 8.2.1 实验所用设备
• 8.2.2 实验所用感光胶的光刻工艺
• 8.2.3 光刻工艺中用到的掩模板
• 8.2.4 纳米孔内电沉积温差电材料
• 8.3 微型温差发电器的制备过程
• 8.3.1 氧化膜的准备
• 8.3.2 氧化铝膜表面构造n 型微区
• 8.3.3 微区内电沉积n 型温差电材料
• 8.3.4 氧化铝膜表面构造p 型微区
• 8.3.5 微区内电沉积p 型温差电材料
• 8.3.6 存在问题的分析
• 8.4 本章小结
• 第九章 全文总结
• 参考文献
• 攻读博士期间发表论文和科研情况
• 致谢