技术领域
[0001] 本
发明涉及热电材料技术领域，具体是指一种用于强辐照环境下温差发电器件的薄膜及其制备方法。
背景技术
[0002] 热电材料是一种可以利用材料的Seebeck效应及Peltier效应直接实现
热能与
电能的互相转换。Seebeck效应是指当材料的两端存在一定温差时，两端即产生一定的电动势。而Peltier效应是指当材料中通过一定的
电流时，材料的两端会同时发生吸热和放热现象，表现为Seebeck效应的逆效应。通过Seebeck效应，热电材料广泛应用于
太阳能、海洋能等领域的温差发电以及工业余热、
汽车尾气余热的回收，尤其适用于太空探测、环境恶劣无人区等情况下的持续电能供应，在节能、环保、军事、探测等领域具有广阔的应用前景，利用热电材料制成的同位素
电池，已经在美国“伽利略”号和“旅行者”号
航天器上稳定运行了30余年。同时，Peltier效应则可以应用于车载
冰箱、航天器制冷、潜艇
空调、
电子元器件制冷等许多民用、军用领域，该类热电材料所制备的制冷器无需
压缩机、无噪音、只需要直流电源即可持续运转。
[0003] 传统的热电材料主要有PbTe，Bi2Te3，SiGe等材料体系，研究者们在这些材料体系上进行了掺杂、
合金化、纳米化等一系列持续性研究，以期提高现有材料体系的热电性能。同时，研究者们也致列于探索新型热电材料，目前已经开发的有Zn3Sb4，Na2CoO4，InSb，MgAgSb以及一些
铀基化合物等。由于热电材料的热电转换效率正比于 ，其中 是载流子有效
质量， 是载流子迁移率， 为材料晶格热导率，铀的f电子会导致材料具有较大的有效载流子质量和较低的晶格热导率，从而有望获得较高的热电性能。关于铀基化合物，目前主要研究的有铀
氧化合物和铀
硼化合物，关于铀氮氧化合物热电材料制成的薄膜尚没有相关的介绍。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种热电系数大，
电阻率低，且功率因子较高，性质稳定，性能优越的用于强辐照环境下温差发电器件的薄膜。
[0005] 本发明的另一个目的在于提供一种工艺简单，效果较高，成本较低，获得产品性质稳定的用于强辐照环境下温差发电器件薄膜的制备方法。
[0006] 本发明通过下述技术方案实现：一种用于强辐照环境下温差发电器件的薄膜，所述薄膜的主要材质为铀氮氧化合物热电材料。
[0007] 为了更好的实现本发明，进一步地，所述铀氮氧化合物热电材料的主要化学成分为U2N3Ox。
[0008] 一种上述用于强辐照环境下温差发电器件薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0009] （1）取高纯金属铀薄片，对金属铀薄片进行预处理，将处理后的金属铀氮化，使金属铀薄片表层生成铀氮氧化合物；
[0010] （2）将金属铀薄片表层生成的铀氮氧化合物
磁控溅射沉积到电绝缘体的衬底表面，从而得到铀氮化物热电材料，再将铀氮化物热电材料制成薄膜即得。
[0011] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（1）中，对金属铀薄片进行预处理的过程为，将高纯金属铀薄片进行机械
研磨至2000号
砂纸后，使用0.1μm的金刚石
抛光膏进行抛光，随后使用酒精、丙
酮、去离子
水中的至少一种对抛光后的金属铀薄片进行多次清洗后，用吹
风机吹干。
[0012] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（1）中，将处理后的金属铀薄片氮化的过程为，预处理后的金属铀薄片迅速转移至
真空腔室中，再向真空腔室通入高纯氮气，在金属铀薄片和真空腔室中间加上脉冲高压，使之形成
辉光放电，令高纯氮气电离出的氮
等离子体与金属铀薄片表面发生反应，生成铀氮氧化合物，其中氧
原子主要来源于真空腔室中残留的氧原子。
[0013] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（1）中，将处理后的金属铀薄片氮化的过程，还包括对转移至真空腔室中的金铀薄片进行加热，在400℃加热90min，
加速金属铀薄片表面氮元素的扩散反应，实现金属铀薄片表层的快速氮化。
[0014] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述真空腔室内通入高纯氮气的压强为50Pa，纯度为99.999%。
[0015] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述金属铀薄片和真空腔室中间加上脉冲高压的
电压为-800V，
频率为50kHz，占空比为30%。
[0016] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（2）中，金属铀薄片表层生成的铀氮氧化合物磁控溅射沉积到电绝缘体的衬底表面，得到铀氮化物热电材料的具体过程包括以下步骤：
[0017] （2.1）将表层生成铀氮氧化合物的金属铀薄片置于磁控溅射装置中作为靶材；
[0018] （2.2）对磁控溅射装置抽真空至10-5Pa，在靶材和金属铀薄片之间加入-1000V高压，通入5Pa纯度为99.999%的高纯氩气，电离出氩离子，氩离子再将金属铀薄片表层的铀氮氧化合物溅射到电绝缘体的衬底表面，从而获得得到铀氮化物热电材料。
[0019] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（2）中的电绝缘体为单晶α-Al2O3。
[0020] 本发明与
现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
[0021] （1）本发明采用铀氮氧化合物热电材料为薄膜的主要材质，使该薄膜能够在特殊耐辐照环境下，实现制冷、温差发电等功能，用于强辐照环境下的温差发电器件，使温差发电器件能够在太空探测、环境恶劣无人区等情况下的持续电能供应；
[0022] （2）本发明采用等离子体氮化结合磁控溅射两步法来获制备薄膜的热电材料，该方法简单容易操作，获得热电材料性质稳定，效率较高，成本较低。
附图说明
[0023] 通过阅读参照以下附图对非限制性
实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更为明显：
[0024] 图1为本发明所述薄膜的俄歇深度剖析谱；
[0025] 图2为本发明所述薄膜的扫描电子显微图；
[0026] 图3为本发明所述薄膜的热电势及电阻率。
具体实施方式
[0027] 为使本发明的目的、工艺条件及优点作用更加清楚明白，结合以下实施实例，对本发明作进一步详细说明。此处所描述的具体实施实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028] 本发明中薄膜主要用于强辐照环境下温差发电器件，其主要材质为铀氮氧化合物热电材料。
[0029] 该薄膜的具体制备方法，包括以下步骤：
[0030] （1）取高纯金属铀薄片，对金属铀薄片进行预处理，将处理后的金属铀氮化，使金属铀薄片表层生成铀氮氧化合物；
[0031] （2）将金属铀薄片表层生成的铀氮氧化合物磁控溅射沉积到电绝缘体的衬底表面，从而得到铀氮化物热电材料，再将铀氮化物热电材料制成薄膜即得。
[0032] 实施例1：
[0033] 本实施例进一步优选使用主要化学成分为U2N3Ox的热电材料作为薄膜的主要材质。该热电材料的物理性能，如图1，图2，图3所示，在243 383 K
温度范围内具有很大的热电~系数（92 138 μV/K），同时在此温度范围内具有很低的电阻率（2.31×10-5Ωm 3.94×10-~ ~
5Ωm），其功率因子在383 K时最高达到4.83 μWcm-1K-2，高于铀氧体系和铀硼体系，性能堪比成熟的氧化物热电材料。因此由为U2N3Ox的热电材料制成的薄膜，同样具备这些性能，能够在特殊耐辐照环境下，实现制冷、温差发电等功能，用于强辐照环境下的温差发电器件，使温差发电器件能够在太空探测、环境恶劣无人区等情况下的持续电能供应。
[0034] 实施例2：
[0035] 本实施例提供了制备该薄膜的具体步骤，如下：
[0036] 1）将高纯金属铀薄片进行机械研磨至2000号砂纸后，使用0.1μm的金刚石抛光膏进行抛光，随后用酒精、丙酮、去离子水多次清洗后用
吹风机吹干，将其迅速转移至真空腔室中，并将真空度保持为10-4Pa以上，随后通入50Pa纯度为99.999%的高纯氮气。在高纯金属铀薄片和真空腔室中间加上-800V的脉冲高压，其频率为50 kHz，占空比为30%，从而形成辉光放电，电离出的氮等离子体与高纯金属铀薄片表面发生反应。在上述过程的同时，对高纯金属铀薄片样品进行加热，在400℃加热90min，加速高纯金属铀薄片表面氮元素的扩散反应，实现高纯金属铀薄片的表层氮化，生成U2N3Ox，其中氧原子主要来源于真空中残留的氧原子。
[0037] 2）将表层氮化后的高纯金属铀薄片置于磁控溅射装置中作为靶材（
阴极），对反应-5腔室抽真空至10 Pa，在阴极和高纯金属铀薄片之间加入-1000V高压，通入5Pa纯度为
99.999%的高纯Ar气，电离出氩离子，氩离子再将铀基片表层的U2N3Ox溅射到电绝缘的单晶α-Al2O3衬底（蓝
宝石）上，获得单相U2N3Ox热电材料。
[0038] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、
修改、替换和变型，本发明的范围由
权利要求及其等同物限定。
