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碲化铋(Bi2Te3)合金是一种室温下性能最好、应用最广泛的热电材料。由于薄膜热电材料比块状热电材料具有更好的热电性能,近年来碲化铋热电薄膜的制备已成为热电材料领域研究的热点之一。本文选用导电聚苯胺作为基体,利用电沉积工艺成功制备了二维和三维连通泡沫碲化铋薄膜;系统研究了导电聚苯胺薄膜的导电特性、电沉积参数(阴极电流密度、沉积电位以及溶液组分)对沉积层组分、结构和性能的影响;初步探索了宏观结构及骨架材料变化对Bi2Te3材料热电性能的影响。得出以下主要结论:
导电聚苯胺薄膜导电特性的研究结果表明:聚苯胺薄膜电阻随着膜层厚度的增加而降低,随着热处理温度的增加而增大,热处理气氛对聚苯胺薄膜的电阻变化有显著的影响,在氮气和氩气气氛下经过453K保温3h处理,薄膜电导率由未经处理的57S/cm分别变为0和15S/cm。
由循环伏安曲线确定Bi2Te3在导电聚苯胺电极上的沉积电位范围为-125mV~-340mV,Bi2Te3合金中Te的含量随沉积电位呈抛物线形变化,在-200mV时,含量最低为61%;薄膜微观组织结构随着沉积电位的降低首先由片层状向针状过渡,当电位低于-265mV后又变成片层状结构。
对Bi2Te3薄膜热电性能的研究结果表明:(1)对导电聚苯胺绝缘化处理能大幅度提高Bi2Te3薄膜的Seebeck系数,这是由于绝缘化处理消除了导电基体的分流作用;(2)泡沫状Bi2Te3薄膜的Seebeck系数要明显大于该合金平面薄膜的Seebeck系数;(3)用于制备泡沫Bi2Te3薄膜的骨架材料对热电性能有影响,以酚醛树脂和碳化硅为骨架制备的泡沫Bi2Te3薄膜的Seebeck系数值分别比平面薄膜的Seebeck系数提高了64.7%和145%,此差异可能与存在于沉积层与基体之间的应力有关。