脉冲激光沉积制备c轴取向BiCuSeO薄膜及热电性能研究

发布时间：2020-06-19 04:11

【摘要】：硫属氧化物铋铜硒氧(BiCuSeO)是一种层状结构的p型半导体材料,具有极低的本征热导率,在中高温热电领域有着重要的应用前景。目前国际上对BiCuSeO基材料热电性能的研究大多集中在三维多晶块体上,对二维取向薄膜的研究非常少。相比于三维多晶块体材料,二维薄膜更易实现热电器件的集成化,在微区热电发电及制冷领域具有体材料无可替代的优势。此外,二维薄膜更容易实现c轴取向生长,可以利用BiCuSeO基材料电热输运各向异性的特点大幅优化其热电性能。针对以上问题,本论文采用脉冲激光沉积方法(Pulsed Laser Deposition:PLD)在单晶衬底上制备了c轴取向的BiCuSeO基薄膜,通过调节制备工艺条件,优化了薄膜的微观组织结构,同时通过元素掺杂有效的提高了BiCuSeO的热电性能的影响,研究内容和结果如下:1、利用PLD在三种单晶基片上制备了BiCuSeO薄膜并详细研究了衬底和沉积温度对薄膜晶体结构、微观形貌及热电输运性能的影响。当最佳沉积温度为330℃下在SrTiO_3(001)单晶基片上制备的BiCuSeO薄膜不含任何杂相且沿c轴外延取向生长,电学性能测试表明该薄膜在20~350 K温区内均表现出金属导电特性,室温电阻率为12.5mΩ·cm,远低于相应的多晶块体材料。计算所得的室温功率因子PF为3.3μWcm~(-1)K~(-2),高于相应的多晶块体材料,表明c轴取向BiCuSeO外延薄膜在薄膜热电器件领域具有重要应用前景。2、在SrTiO_3(001)单晶衬底上外延生长了c轴取向的Bi_(1-x)Pb_xCuSeO(x=0.04,0006,0.08)和Bi_(1-x)-x Ca_x CuSeO(x=0.025,0.05,0.075)单晶薄膜并研究了Pb、Ca掺杂对薄膜晶体结构、微观组织结构和热电性能的影响。实验结果表明,Pb、Ca掺杂均可以增加载流子浓度、降低BiCuSeO薄膜的电阻率,提高其功率因子;Pb掺杂相比于Ca掺杂更有利于提高本征BiCuSeO薄膜的热电性能。3、通过脉冲激光沉积在非晶玻璃衬底上沿c轴取向生长了BiCuSeO薄膜。发现在室温下的电阻率(27.1 mΩ·cm)远低于报道的相应多晶体块的电阻率,并且用三维变程跳跃传导机制解释了薄膜低温下的电输运行为。此外,通过微观结构分析得出整个薄膜中存在大量的非晶晶界,使得薄膜的热导率显着降低。因此,本文中的BiCuSeO薄膜的热电性能与体块相比有了很大提高,表明其可以用于热电薄膜器件中。
【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O484
【图文】：

示意图,效应,示意图,塞贝克效应

经成为科研人员探索的一个重要方向课题。其中，一关注，它具有低的热导率，通过掺杂可以大大提高其热电的热电材料。应理论及器件梯度产生热电流的效应以及它的逆过程，即，通过电流产应。热电效应包括塞贝克效应、珀尔贴效应和汤姆逊效应基于这三种效应制造的。克效应国物理学家塞贝克在两种不同材料（导体或半导体）组成热能转换为电能的现象，这种现象为塞贝克效应，又称为

示意图,效应,示意图,载流

规定从 A 流向 B 为电流正方向，塞贝克系数为正，反之为系数的微观物理本质可以用温度梯度作用下的载流子浓度的变材料中，载流子为均匀分布，一旦两段产生温差后，热端载流冷端移动，并在冷端堆积，破坏内部的电中性。同时，载流个内建电场，在内建电场的作用下，载流子的进一步扩散受到一个动态平衡的时候，材料两端形成电势差就是塞贝克电动势热电发电。帖效应克效应之后，1834 年，法国物理学家珀尔帖（C.A.Peltier）发的现象。把两个不同的导体组成闭合回路并通以电流，当电流接点会放出热量变热；另一个接点会吸收热量变冷，这一现

【参考文献】