一种基于硼烯的光热电转换薄膜器件及其制备方法
阅读说明：本技术 一种基于硼烯的光热电转换薄膜器件及其制备方法 (Boron alkene-based photo-thermal-electric conversion thin film device and preparation method thereof ) 是由 鲍桥梁 吴�琳 于 2021-02-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光热电转换薄膜器件及其制备方法,涉及基于硼烯的光热电转换薄膜器件及其制备方法领域,包括温差发电层、位于温差发电层一侧的光吸收层,和位于所述温差发电层另一侧的散热层,所述光吸收层由具有周期性纳米结构的硼烯薄膜构成,所述温差发电层为Bi_2Te_3或Sb_2Te_3；所述温差发电层在厚度方向形成温度梯度,产生电势差。硼烯作为本征宽带吸收的等离激元材料,其二维结构易于组装和加工,是理想的光热转换材料。解决宽谱光热转换器件加工难度大、成本高的问题。(The invention discloses a photothermal-electric conversion thin film device and a preparation method thereof, and relates to the field of a boron-alkene-based photothermal-electric conversion thin film device and a preparation method thereof 2 Te 3 Or Sb 2 Te 3 (ii) a The thermoelectric generation layer forms a temperature gradient in the thickness direction to generate a potential difference. The boron alkene is taken as a plasmon material for intrinsic broadband absorption, the two-dimensional structure of the boron alkene is easy to assemble and process, and the boron alkene is an ideal photo-thermal conversion material. To solve the problem of widthThe problems of high processing difficulty and high cost of the spectrum photothermal conversion device.)
技术领域
本发明设计一种光热电转换薄膜器件及其制备方法，特别是一种基于硼烯的光热电转换薄膜器件及其制备方法。
背景技术
光热电探测器是基于光热转换和热电转换两个基本能量转换过程的一种探测器。当光照射在热电材料的一端时，光能经过光热转换首先转化为热能，从而在热电材料两端建立温差（ΔT）。在温差的驱动下，载流子会向冷端扩散（即热电转换中的Seebeck效应），进而在材料两端建立电势差。光热电探测器具有自供电、非制冷、响应波长范围宽等优点，在光探测、红外热成像、温度监测等军用、民用领域具有重要的应用前景。光热电探测器的响应度正比于材料的Seebeck系数（S）和材料两端的ΔT。在目前已经商业化的光热电探测器中，p型和n型的热电薄膜组成热电对，多个热电单元围绕吸收层组成热电堆。其中吸收层的作用是吸收光、产生热量，在热电堆的两侧制造温差，从而产生电压响应。
通过将具有高光热转换能力的材料与传统热电材料组成多层复合材料来实现高效的光热转换，是目前高性能光热电器件研究的主要目标之一。近年来，基于超材料的光热转换薄膜在许多领域得到了广泛的研究和开发，超材料是由亚波长单元阵列构成的人工结构材料，具有优异的电磁性能。超材料吸波材料一般可分为窄带光吸收材料和宽带光吸收材料。窄带超材料主要依赖于与特定频率的光相互作用的共振结构，而宽带超材料则依赖于其电磁响应与频率无关的结构，从而实现宽波段的光吸收特性。
目前，宽谱光热转换器件仍以金属微纳结构为主，通过等离激元微纳结构之间的光耦合作用克服其窄带吸收的固有缺陷。然而，金属复杂纳米结构的加工难度大、成本高，导致其实际应用受到了极大的限制。与传统金属材料相比，以石墨烯和黑磷为代表的二维材料表面等离激元具有高光场压缩、易于调谐等优异性能，然而有限的载流子浓度导致其共振频率较低，只能发生在中红外到太赫兹波段。近年来，新型二维材料硼烯受到了研究者的广泛关注。硼作为碳的邻元素，在化学上与碳具有相似性，但特殊的电子结构（价电子数为3，成键时价电子层无法填满）使硼具有更短的共价键半径和丰富的价态，以及多样化的结构和独特的性质。体相硼是非金属性的，但理论预测硼烯呈金属性，其三角晶格中的空位排列导致各向异性和多样化的电子性质。更重要的是，理论计算结果表明，硼烯具有比石墨烯更高的本征载流子浓度和等离激元共振频率，能够在可见到近红外波段激发表面等离激元。硼烯作为本征宽带吸收的等离激元材料，其二维结构易于组装和加工，是理想的光热转换材料。
发明内容
本发明提供了一种基于硼烯的光热电转换薄膜器件及其制备方法，解决宽谱光热转换器件加工难度大、成本高的问题。
本发明采用如下技术方案:一种基于硼烯的光热电转换薄膜器件及其制备方法，包括：
温差发电层、位于温差发电层一侧的光吸收层，和位于温差发电层另一侧的散热层，光吸收层由硼烯薄膜构成，温差发电层为Bi2Te3或Sb2Te3；温差发电层在厚度方向形成温度梯度，通过热电效应产生电势差。
进一步地，光吸收层和温差发电层之间具有导热层。
进一步地，导热层是金、银、铜、硅、氮化硼、石墨、聚酰亚胺(PI)或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的薄膜材料。
进一步地，散热层是具有散热通道的薄膜结构或具有增强散热功能的散热涂层，采用材料如铜、石墨烯或氮化硼。
进一步地，光吸收层具有增大表面积和光吸收率的周期性纳米结构，周期性纳米结构是波浪形、方波形或三角波形。
一种基于硼烯的光热电转换薄膜器件的制备方法，
步骤1) 选取面积为0.25cm2到25cm2、厚度为1μm到200μm的Bi2Te3或Sb2Te3薄膜材料作为温差发电层。在一侧的表面上蒸镀金、银、铜、硅或涂覆氮化硼、石墨烯、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)以形成导热层，所述导热层厚度为50nm到10μm。温差发电层另一侧与散热层相复合；
步骤2) 配比浓度为0.1mg/mL到10.0mg/mL的硼烯纳米材料分散液，然后将其均匀涂覆在上述具有导热层的薄膜表面；
步骤3) 利用飞秒激光刻蚀或者紫外曝光刻写硼烯薄膜的周期性纳米结构，形成光吸收层。
与现有技术相比，本发明基于硼烯的光热电转换薄膜器件及其制备方法的有益效果在于：
（1）加工简单，二维结构易于组装。
（2）能够实现微米甚至亚微米级别的超薄光热电转换薄膜器件的制造。
附图说明
图1是本发明基于硼烯的光热电转换薄膜器件方波形结构的示意图；
图2是本发明基于硼烯的光热电转换薄膜器件方波形结构的硼烯材料高分辨透射电子显微镜图；
图3是本发明基于硼烯的光热电转换薄膜器件方波形结构的硼烯材料透射电镜能谱图；
图4是本发明基于硼烯的光热电转换薄膜器件在全日光光谱下的测试示意图；
图5是本发明基于硼烯的光热电转换薄膜器件方波形结构的光热转换性能测试图；
图6是本发明基于硼烯的光热电转换薄膜器件波浪形结构的示意图；
图7是本发明基于硼烯的光热电转换薄膜器件波浪形结构的高分辨透射电子显微镜图；
图8是本发明基于硼烯的光热电转换薄膜器件波浪形结构的光热转换性能测试图；
图9是本发明基于硼烯的光热电转换薄膜器件三角波形结构的示意图；
图10是本发明基于硼烯的光热电转换薄膜器件三角波形结构的高分辨透射电子显微镜图；
图11是本发明基于硼烯的光热电转换薄膜器件三角波形结构的光热转换性能测试图；
其中：1：光吸收层，2：温差发电层，3：散热层，4：导热层。
具体实施方式
下面结合附图详细说明具体实施步骤如下：
实施例一
如图1所示，是本发明基于硼烯的光热电转换薄膜器件及其制备方法的一个实施案例，采用如下方法制备得到：
步骤1) 选取面积为0.25cm2、厚度为1μm的Bi2Te3材料作为温差发电层（购自Sigma-Aldrich公司，货号与规格：733482-5G）。在一侧的表面上蒸镀金以形成导热层，所述导热层厚度为50nm。温差发电层另一侧与散热层采用导热硅胶粘接，散热层为50μm的铜；
步骤2) 配比浓度为0.1mg/mL的硼烯纳米材料分散液，然后将其均匀涂覆在上述具有导热层的薄膜表面；如图2所示，透射电镜图显示出了超薄的纳米片层结构和清晰的晶格条纹，反映出硼烯纳米材料良好的结晶性质。如图3所示，从图中可以看出硼元素在整个薄片上的均匀分布，以及由C和O元素组成可观察到的壳层。少量C和O的存在可能是由于暴露在空气和碳膜中的表面污染造成的；
步骤3) 利用飞秒激光刻蚀或者紫外曝光刻写硼烯薄膜的周期性纳米结构，形成光吸收层。
如图1所述，最后得到的光热电转换薄膜器件，包括：温差发电层、位于温差发电层一侧的光吸收层，和位于温差发电层另一侧的散热层，光吸收层由具有周期性纳米结构的硼烯薄膜构成，呈方波形，增大了表面积和光吸收率；温差发电层在厚度方向形成温度梯度，产生电势差。
在某些实施例中的导热层也采用蒸镀银、铜、硅，或涂覆氮化硼、石墨、聚酰亚胺(PI)或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的薄膜材料，可以具有同样或相近的效果。
按照如图4所示的测试方法进行光热电转换薄膜器件的转换性能测试。利用红外测温仪（德图testo公司，890专业型）监测器件的光热转换能力，在波长为980 nm的红外光照条件下，当光照功率达到100 mW时，器件的温度可达165 ºC（如图5所示），此时器件能够输出的电流值为0.12 mA。
实施例二
如图6所示，是本发明基于硼烯的光热电转换薄膜器件及其制备方法的一个实施案例，采用如下方法制备得到：
步骤1) 选取面积为25cm2、厚度为15μm的Sb2Te3薄膜材料作为温差发电层（购自Sigma-Aldrich公司，货号与规格：733490-1G）。在一侧的表面上蒸镀银以形成导热层，所述导热层厚度为10μm。温差发电层另一侧与散热层采用导热硅胶粘接，散热层为1μm的石墨烯；
步骤2) 配比浓度为1.0mg/mL的硼烯纳米材料分散液，然后将其均匀涂覆在上述具有导热层的薄膜表面；如图7所述，从图中可以看出硼烯纳米片形成了少量的团聚，但其依然具有良好的结晶性质；
步骤3) 利用飞秒激光刻蚀或者紫外曝光刻写硼烯薄膜的周期性纳米阵列结构，形成光吸收层。
如图6所述，最后得到的光热电转换薄膜器件，包括：温差发电层、位于温差发电层一侧的光吸收层，和位于温差发电层另一侧的散热层，光吸收层由具有周期性纳米结构的硼烯薄膜构成构成，呈波浪形，增大了表面积和光吸收率；温差发电层在厚度方向形成温度梯度，产生电势差。
按照如图4所示的测试方法进行光热电转换薄膜器件的转换性能测试。利用红外测温仪（德图testo公司，890专业型）监测器件的光热转换能力，在波长为980 nm的红外光照条件下，当光照功率达到100 mW时，器件的温度可达161 ºC（如图8所示），此时器件能够输出的电流值为0.11 mA。
实施例三
如图9所示，是本发明基于硼烯的光热电转换薄膜器件及其制备方法的一个实施案例，采用如下方法制备得到：
步骤1) 选取面积为25cm2、厚度为200μm的Sb2Te3薄膜材料作为温差发电层（购自Sigma-Aldrich公司，货号与规格：733490-1G）。在温差发电层一侧与散热层采用导热硅胶粘接，散热层为16μm的氮化硼；
步骤2) 配比浓度为10.0mg/mL的硼烯纳米材料分散液，然后将其均匀涂覆在温差发电层的另一侧；如图10所示，从图中可以看出分散后的硼烯纳米材料片层横向尺寸分布均匀，大致在8到30 nm之间；
步骤3) 利用飞秒激光刻蚀或者紫外曝光刻写硼烯薄膜的周期性纳米阵列结构，形成光吸收层。
如图9所示，最后得到的光热电转换薄膜器件，包括：温差发电层、位于温差发电层一侧的光吸收层，和位于温差发电层另一侧的散热层，光吸收层由具有周期性纳米结构的硼烯薄膜构成构成，呈三角波形，增大了表面积和光吸收率；温差发电层在厚度方向形成温度梯度，产生电势差。
按照如图4所示的测试方法进行光热电转换薄膜器件的转换性能测试。利用红外测温仪（德图testo公司，890专业型）监测器件的光热转换能力，在波长为980 nm的红外光照条件下，当光照功率达到100 mW时，器件的温度可达150 ºC（如图11所示），此时器件能够输出的电流值为0.08 mA。
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