利用磁性颗粒的自旋散射提高热电效应的材料和方法及制备.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010467364.6 (22)申请日 2020.05.28 (71)申请人 兰州大学 地址 730014 甘肃省兰州市城关区天水南 路222号 (72)发明人 隋文波杨德政薛德胜司明苏 (74)专利代理机构 北京中誉威圣知识产权代理 有限公司 11279 代理人 贾慧娜 (51)Int.Cl. H01L 35/12(2006.01) H01L 35/20(2006.01) H01L 35/34(2006.01) (54)发明名称 一种利用磁性颗粒的自旋散射提高热电效 应的。

2、材料和方法及制备 (57)摘要 本发明属于热电材料领域， 提出一种利用磁 性颗粒的自旋散射提高热电效应的材料和方法 及制备， 在热电材料中掺入磁性金属颗粒。 金属 Cu掺有磁性Co颗粒， 产品为Co-Cu颗粒状薄膜。 通 过磁控溅射台， 采用Co-Cu共溅射法在高真空条 件下制备Co-Cu颗粒状薄膜。 有益效果： 热电效率 有了大幅度的提升。 由于磁性颗粒的掺入， 新形 成的热电材料还具备了磁性， 同时新材料的阻塞 温度也有一定的提高， 因而在应用领域上更加广 泛。 权利要求书1页 说明书2页 附图3页 CN 111653661 A 2020.09.11 CN 111653661 A 1.一种。

3、利用磁性颗粒的自旋散射提高热电效应的方法， 其特征是： 在热电材料中掺入 磁性金属颗粒， 形成复合材料， 以此提高热电效率。 2.一种利用磁性颗粒的自旋散射提高热电效应的材料， 其特征是： 金属Cu掺有磁性Co 颗粒， 产品为Co-Cu颗粒状薄膜， 呈 “111” 取向。 3.如权利要求2所述一种利用磁性颗粒的自旋散射提高热电效应的材料， 其特征是： Co 在Co-Cu颗粒状薄膜中所占质量比为15至30。 4.一种权利要求2所述材料的制备方法， 其特征是： 通过磁控溅射台， 采用Co-Cu共溅射 法在高真空310-5Pa条件下制备Co-Cu颗粒状薄膜， 沉积过程中Ar压力为0.3Pa； Co-。

4、Cu的组 成比例通过调节Co和Cu的溅射速率来控制； 为了保持Co-Cu组成均匀， 在溅射过程中旋转所 有样品。 5.如权利要求4所述材料的制备方法， 其特征是： 所得样品的厚度为300nm。 6.如权利要求4所述材料的制备方法， 其特征是： 在Cu中掺入质量占比15至30的磁 性Co颗粒。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111653661 A 2 一种利用磁性颗粒的自旋散射提高热电效应的材料和方法及 制备 技术领域 0001 本发明属于热电材料领域， 涉及一种利用磁性颗粒的自旋相关性散射提高热电效 应的新方法。 背景技术 0002 热电是一种将热量直接转换为电能的新能源技术， 热功率作为。

5、热电材料的衡量参 数对于材料热电性能起着举足轻重的作用。 随着空间探索活动的增加、 医用物理学的进展 以及在地球上高难度资源考察与探索活动的出现， 需要开发一类能够自身供能且无需照看 的电源系统， 热电发电对这些应用尤其合适。 另外利用热电材料制备的微型元件， 如用于制 备微型电源、 微区冷却、 光通信激光二极管、 红外线传感器的调温系统， 这些都大大拓展了 热电材料的应用领域。 因此， 热电材料是一种有着广泛应用前景的材料， 在环境污染和能源 危机日益严重的今天， 进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。 0003 最近， 我们发现不同于传统的避免提高热电需要尽量避免使用磁性材料， 我们的。

6、 发明显示， 利用电子自旋可以为开发下一代高性能热电材料带来了广阔的前景。 新的研究 成果直接证实热电效率的巨大提高， 来源于磁性颗粒的自旋相关散射， 为我们探测新途径 提供了更为广阔的前景。 发明内容 0004 本发明的目的是对于热电材料进行改进以提高热电效应， 利用颗粒的自旋相关散 射， 通过在金属Cu掺入磁性Co颗粒来提高薄膜的热电效率。 0005 本发明的技术方案： 一种利用磁性颗粒的自旋散射提高热电效应的方法， 在热电 材料中掺入磁性金属颗粒， 形成复合材料， 以此提高热电效率。 0006 一种利用磁性颗粒的自旋散射提高热电效应的材料， 金属Cu掺有磁性Co颗粒， 产 品为Co-Cu。

7、颗粒状薄膜， 呈 “111” 取向。 0007 利用磁性颗粒的自旋散射提高热电效应的材料的制备方法， 通过磁控溅射台， 采 用Co-Cu共溅射法在高真空310-5Pa条件下制备Co-Cu颗粒状薄膜， 沉积过程中Ar压力为 0.3Pa； Co-Cu的组成比例通过调节Co和Cu的溅射速率来控制； 为了保持Co-Cu组成均匀， 在 溅射过程中旋转所有样品。 0008 优选的是： 所得样品的厚度为300nm。 0009 磁性Co在Co-Cu颗粒状薄膜的质量含量为15至30的。 0010 本发明的有益效果： 与传统尽量避免磁性杂质以实现更大的热电效率的概念相 反， 而是通过掺杂磁性颗粒来提高热电效率。 。

8、制备的Co-Cu颗粒薄膜具备(111)单相结构。 通 过物理性质测量系统(PPMS)来表征电传输和热传输测量， 结果表明： 通过掺杂一定的磁性 金属粒子， 获得的改良后的热电材料， 其热电效率有了大幅度的提升。 由于磁性颗粒的掺 入， 新形成的热电材料还具备了磁性， 同时新材料的阻塞温度也有一定的提高， 因而在应用 说明书 1/2 页 3 CN 111653661 A 3 领域上更加广泛， 对于未来热电材料的发展有着相当重要的作用。 即使是纳米磁体处于超 顺磁性状态， 自旋散射也能提高热电效率。 附图说明 0011 附图1为制备的Co-Cu颗粒薄膜SEM的微观形貌图； 0012 附图2为制备的。

9、Co-Cu颗粒薄膜的XRD图谱； 0013 附图3为制备的Co-Cu颗粒薄膜的热电效率随温度的变化曲线； 0014 附图4为制备的Co-Cu颗粒薄膜的电阻和热电系数随磁场的变化关系； 0015 附图5为制备的Co-Cu颗粒薄膜的阻塞温度和饱和磁化强度(300K)随Co含量的变 化关系。 具体实施方式 0016 利用颗粒的自旋相关散射， 通过在金属Cu掺入磁性Co颗粒来提高薄膜的热电效 率。 这种热电效率的提升主要源于颗粒状Co-Cu薄膜的自旋相关磁电阻和磁热电效应， 与Co 纳米颗粒是否为铁磁还是顺磁无关。 0017 通过磁控溅射台， 采用Co-Cu共溅射法在高真空310-5Pa条件下制备了C。

10、o-Cu颗粒 状薄膜， 沉积过程中Ar压力为0.3Pa。 通过调节Co和Cu的溅射速率来控制Co-Cu的组成。 为了 保持Co-Cu组成均匀， 在溅射过程中旋转所有样品。 所有样品的厚度固定为300nm。 0018 按Co、 Cu的不同质量占比， 制备了四组样品， 分别是Co15Cu85、 Co20Cu80、 Co25Cu75、 Co30Cu70(下角标表示Co、 Cu所占质量百分比)。 0019 图1的SEM图， a图为Co15Cu85， b图为Co20Cu80， c图为Co25Cu75， d图为Co30Cu70。 0020 图2为Co-Cu颗粒薄膜的XRD图谱， 通过XRD检测， 可以看出。

11、制备的Co-Cu颗粒薄膜具 有很好的(111)取向的单相结构。 0021 图3给出的不同掺杂浓度下的Co-Cu颗粒薄膜功率因数随温度的变化曲线。 表明通 过掺杂磁性Co颗粒， 使得金属热电材料的热电性能得到数量级的提升。 在270K， Co25Cu75的 PF数值可以达到9.3410-4WK2/m， 这较同温度下Cu的PF数值(PF2.1010-5WK2/m)提高了 4300。 (PF为功率因数， 表征材料的热电性能。 PF (T)2/ (T)， 是塞贝克系数， T是以开 尔文为单位的温度， 是电阻率) 0022 图4(a)显示了Co25Cu75的热电阻随磁场的变化曲线。 随着磁场的增加， 来。

12、自随机分 布的Co粒子的磁矩逐渐朝着磁场的方向排列， 从而导致了磁电阻的增大趋势。 Co-Cu薄膜的 这个的磁电阻效应源于Co磁性颗粒对不同自旋方向Cu的导电电子散射程度不同导致的， 即 通常所说的自旋相关散射。 图4(b)显示了该材料热电系数随磁场的变化关系， 不难发现， 磁 热电效应与磁电阻的变化规律在不同温度下都非常相似。 这意味着热电系数随磁场的变化 应该也来源于Co的自旋相关散射。 更有趣的是， Co25Cu75的TB只有160K， 在图4中， 当T300K 时， 该样品处于超顺磁状态， 但仍然可以发现明显的磁电阻(图4(a)和磁热电效应(图4 (b)。 这证明了即使对于超顺磁性态的Co磁性颗粒， 自旋相关的散射提高热电效率仍然有 效。 0023 图5是用超导量子干涉仪(SQUID)测量了Co-Cu颗粒薄膜的磁性。 可以看到随着Co 的掺入浓度增大， 所制备热电材料的阻塞温度增大， 而且磁性也增强。 说明书 2/2 页 4 CN 111653661 A 4 图1 说明书附图 1/3 页 5 CN 111653661 A 5 图2 图3 说明书附图 2/3 页 6 CN 111653661 A 6 图4 图5 说明书附图 3/3 页 7 CN 111653661 A 7 。