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1、组合薄膜制备技术在热电材料中的应用2010年8月材料开发与应用?53?文章编号:1003—1545(2010)04-0053424组合薄膜制备技术在热电材料中的应用王群骄,张毅斌(1.东北大学EPM重点实验室,辽宁沈阳110004;2.中国人民解放军驻鞍山钢铁集团公司军事代表处,辽宁鞍山114000)摘要:"组合技术"是现代的新材料开发的手段.介绍了一些新的组合技术,如:"组合激光分子束外延技术"和"组合激光溅射制膜技术",并采用"组合激光溅射制膜技术",成功制备了高质量【矗CeVO,(0≤≤1)成分梯度薄
2、膜.采用组合热电测量系统和组合XRD系统测量了La一CeVO,(0≤x≤1)成分梯度薄膜的热电性能和晶体结构."组合激光溅射制膜技术"被证明是非常高效,精确的新材料薄膜研究方法,具有光明的前景.关键词:组合技术;组合激光溅射制膜技术;成分梯度薄膜;热电中图分类号:TG174.444文献标识码:A随着社会的发展,越来越多的新材料需要开发,在开发新材料过程中,大量的参数(成分变化,加工参数变化,性能变化等)需要探索,而传统的一对一的方法耗费了大量的时间,人力和物力.适应时代的要求,"组合技术(Combinato
3、rialTechnology)"迅速发展起来,并逐渐成为开发新材料的必不可缺的手段.组合技术包括材料的组合加工方法和组合分析(结构,性能)方法."组合技术"是在短时间内,制造(检测)出大量的成分,结构,加工条件均匀变化的新材料,以便得到最佳的性能.它的特点是时间短,效率高,而且准确.同时节约大量的时间,人力和物力.用简单的话说,就好像在茫茫的大海上,别人用鱼竿钓鱼,而"组合技术"是用鱼网捕鱼.因此,可以说"组合技术"的出现带来的不仅是现代开发新材料的手段的提高,更是一场材料开发手段的革命.组合技术最早是在化
4、学中研制麻醉药品中使用的J,如今已经被应用到了新型固体材料的开发领域上J."组合薄膜制备技术"是现代"组合技术"之一,它的思想是1995年由美国的"项"实验室首先提出的,并在《科学》杂志上发表."项"研究小组采用此技术,在同一片MgO基板上一次制备了128个氧化物BiSrCaCuO超导薄膜.整个薄膜制备过程包括化学沉积和热处理两个阶段,最后形成薄膜晶体.这128个薄膜的成分和结构呈梯度变化.由于这些薄膜是在同一实验过程中制备的,因此,它们的实验条件完全一致,大大地减少了实验误差,为后续的研究分析打下良好的基
5、础.日本的鲤沼实验室根据这一思想,进一步开发出"组合激光分子束外延技术(corn—binatoriallasermolecularbeamepitaxy)",如图1所表示.它的特点是一个旋转复合靶台和一个组合罩(具有8个窗口)』,组合罩介于靶子和基板问.为了使薄膜厚度均匀,靶子与基板的距离达到70ram.复合靶台的转动,组合罩的转动以及脉冲激光的激发都有计算机控制进行.采用"组合激光分子束外延技术",大量的Mg离子被添加到ZnO中,实现控制ZnO薄膜能带间隙的目的j.伴随着组合罩的变化位置,脉冲激光交替轰击
6、lO%(/2)Mg搀杂的ZnO靶和一个纯ZnO靶子,在一块A10,基板上同时制备了9片不同含量Mg搀杂的ZnO薄膜,Mg摩尔含量由1%变化到l5%.1成分梯度热电薄膜的组合制备根据不同材料的特点,各种新型的组合设备收稿日期:2010—02—25基金项目:国家自然科学基金(No.50674033);博士后基金(No.2005037230).?54?材料开发与应用2010年8月加热器基板图1组合激光分子束外延技术示意图被开发出来.为了开发新型热电材料,"组合激光溅射制膜技术"被发展起来去制备热电成分梯度薄膜,如
7、图2(a)表示.它的特点是装备了介于基板和靶子问的一个活动罩,一个复合可旋转靶台和一个基板加热系统.在薄膜沉积过程中,脉冲激光分别轰击旋转靶台上的几个不同成分的靶子,如图2(a)中的A和B靶,与此同时,活动罩不断地在基板和靶子间滑动.整个过程根据需要由计算机编程,再由LABVIEW软件控制完成.在一次循环过程后,一个单位厚度的薄膜被沉积出来,反复重复这一过程,就获得了最终厚度的薄膜.经过热处理的原子扩散后,这一薄膜的成分由一侧的A沿着梯度变化达到另一侧的B,既形成了A一B(0≤≤1)成分梯度薄膜,如图2(b
8、)表示.为了将同一块基板上的成分梯度薄膜分开,以便于测量结构和性能,在薄膜沉积过程中,在靠近基板的位置放置一个筛子状的罩,如图2(a),将成分梯度薄膜分成不同成分的10小块.采用"组合激光溅射制膜技术",在SrTiO基板上制备了(La一Ce)VO,(0≤≤1)成分梯度薄膜.首先的工序是制备LaVO和CeVO的靶子.将烘干后的La20,一V:05,和CeO2一VO颗粒进行充分的混合,研磨,压制成靶坯,然后在进行预烧
