Cu-Se薄膜热电材料的电沉积过程及制备工艺研究

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近年来,随着环保意识的不断增强,热电材料的制备以及热电器件的开发得到了广泛关注。由于p型Cu2-xSe热电材料在中温条件下具有优异的热电性能,其相关研究在近年来成为新的热点。本文以制备高性能p型Cu-Se基薄膜材料为研究目的,采用循环伏安法(CV)、线性扫描法(LSV)和交流阻抗谱图法(EIS)等电化学测试技术,系统地对Cu II(表示正二价的铜)和Se IV(表示正四价的硒)的电化学还原过程进行了研究。在此基础上,采用EDS、SEM、塞贝克测试仪和电阻率测试仪等手段,探究了溶液pH值、电沉积温度、沉积电位等电沉积工艺参数对电沉积p型Cu-Se化合物的形貌、组成及热电性能的影响,获得了电沉积p型Cu2-xSe材料的最佳工艺。对Cu-Se化合物的电化学还原过程,研究结果表明,在铜单元溶液中,Cu II的电化学还原过程分为两步进行:Cu2+由还原为Cu+后,Cu+继续还原为Cu0且此过程为不可逆反应。在硒单元溶液中,SeIV的电化学还原过程分为三步且反应不可逆。当溶液的pH值为2时,CuII和Se IV的还原电位较为接近,可以较好地实现两者的共沉积。对电沉积p型Cu2-xSe薄膜材料制备工艺的研究表明,沉积电位的正移,溶液pH值的增大有利于制备得到平整致密的薄膜。同时,沉积电位的负移,溶液pH值的增大使得Cu-Se薄膜中的铜含量上升。在工艺研究的基础上,得到优化工艺条件为:48mM CuSO4·5H2O,2mM H2SeO3,pH值为2,电沉积温度为40℃,沉积电位0.04V。在优化工艺条件下制备的Cu-Se化合物结构致密,赛贝克系数为56.0mV/K,相应的最大功率因子为0.13 mW/(K2m)。
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