热喷涂制Ni阻挡层在碲化铋热电器件中的应用

在碲化铋热电制冷器件的服役过程中,焊料与热电材料间的元素扩散将严重制约器件的正常使用,目前最常用在两者间加Ni阻挡层的方法来改善这种问题,以往采用电镀、等离子烧结等制备Ni镀层的方法会产生界面镀层厚度不易控制、镀层易氧化的问题,而热喷涂由于其镀速快、镀层厚度易控制和镀后表面较平整、耐氧化、结合强度高等优点,可作为制备Ni阻挡层的更好选择.采用热喷涂技术制备不同厚度的Ni阻挡层,并对其分别进行200 ℃下24、72和144 h的退火试验.首先探究不同Ni层厚度的p型(Bi0.4Sb1.6Te3)和n型(Bi2Te2.7Se0.3)碲化铋材料退火前后对镀层硬度和防扩散效果的影响,并将不同Ni层厚度的p、n型碲化铋材料制备成热电器件进行服役性能测试.结果表明:退火对p型材料镀Ni层硬度影响较小,其值变化在10％以内,但对n型材料镀Ni层的硬度影响较大,其最大硬度值下降56.36％;Ni是p型碲化铋材料较好的扩散阻挡层,能显著减少Bi0.4Sb1.6Te3中所有元素的扩散,但其对于n型材料的阻挡效果不明显,仅能较弱地阻挡Bi2Te2.7Se0.3中除Te之外的元素扩散;正常工作时,镀Ni器件在热循环2.5万次后,内阻变化小于5％,相较于无镀Ni器件,其服役寿命得到显著提高.