铋铜硒氧基薄膜的制备及其热电性能研究
发布时间：2017-08-02 21:15
本文关键词：铋铜硒氧基薄膜的制备及其热电性能研究
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【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重要应用前景。目前国际上对BiCuSeO基材料热电性能的研究几乎全部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。本论文采用脉冲激光沉积技术在单晶衬底上制备了c轴取向的BiCuSeO基薄膜,研究了制备工艺条件和元素掺杂对BiCuSeO薄膜晶体结构、显微结构和热电性能的影响,主要结论如下:1、利用脉冲激光沉积技术在SrTiO_3(001)单晶衬底上制备了BiCuSeO薄膜并进行了晶体结构、显微结构表征和热电输运性能测试。通过优化沉积条件,制备出了c轴取向的外延单晶薄膜样品,其室温热电性能优于多晶块体样品。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=0,0.04,0.06,0.08)单晶薄膜并研究了Pb掺杂对薄膜晶体结构、显微结构和热电性能的影响。实验结果表明,Pb掺杂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。掺Pb 6%的样品具有最大的功率因子,在673K时为1.19 mW m-1 K-2,比相应的体材料高1.5倍。3、在SrTiO_3(001)单晶衬底上外延生长了c轴取向的Bi_(1-x)Ba_xCuSeO(x=0,0.025,0.05,0.075,0.1)单晶薄膜并研究了Ba掺杂对薄膜的晶体结构、显微结构和热电性能的影响。实验结果表明,Ba掺杂能有效地降低材料电阻率,提高其功率因子。其中Bi0.925Ba0.075CuSeO样品具有最佳功率因子,在670K时为1.24 mW m-1 K-2,比相应块材高1.4倍。4、利用脉冲激光沉积技术在未经过处理的商用单晶Si片上制备出了c轴取向生长的BiCuSeO薄膜,测试分析显示其晶体结构良好,热电性能可以同单晶材料相比拟,表明BiCuSeO薄膜制备工艺有可能与Si集成工艺进行结合,制备出新型热电薄膜器件。
【关键词】：脉冲激光沉积 BiCuSeO 基薄膜 外延生长 c 轴取向 热电性能 掺杂
【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O484;TN304
【目录】：
- 摘要5-6
- Abstract6-11
- 第1章 绪论11-22
- 1.1 热电效应理论11-14
- 1.1.1 塞贝克效应12-13
- 1.1.2 珀尔帖效应13
- 1.1.3 汤姆逊效应13-14
- 1.1.4 三种效应之间的关系14
- 1.2 热电性能14-17
- 1.2.1 热电效率14-15
- 1.2.2 影响热电性能的物理参数15-17
- 1.3 提高热电性能的方法17-19
- 1.3.1 优化材料的载流子浓度18
- 1.3.2 降低材料的热导率18-19
- 1.4 BiCuSeO材料的研究进展19-21
- 1.5 本论文的研究目的及意义21-22
- 第2章 样品的制备、表征及性能测试22-28
- 2.1 脉冲激光沉积技术22-23
- 2.2 靶材的制备23-24
- 2.2.1 实验仪器23
- 2.2.2 烧结流程23-24
- 2.3 材料的微结构表征24-25
- 2.3.1 X射线衍射24
- 2.3.2 原子力显微镜24
- 2.3.3 扫描电子显微镜24-25
- 2.3.4 透射电子显微镜25
- 2.4 热电性能测试25-27
- 2.4.1 塞贝克系数的测量25-26
- 2.4.2 电阻率的测量26
- 2.4.3 霍尔性能测试26-27
- 2.5 本章小结27-28
- 第3章 BiCuSeO薄膜的热电性能研究28-38
- 3.1 引言28-29
- 3.2 脉冲激光沉积BiCuSeO薄膜29-30
- 3.2.1 单晶衬底的选择29
- 3.2.2 靶材的制备29-30
- 3.2.3 薄膜沉积30
- 3.3 样品的微结构分析30-34
- 3.3.1 晶体结构30-32
- 3.3.2 表面形貌32
- 3.3.3 微观形貌32-34
- 3.4 BiCuSeO薄膜的热电性能研究34-37
- 3.4.1 电阻率34-35
- 3.4.2 塞贝克系数35-36
- 3.4.3 功率因子36-37
- 3.5 小结37-38
- 第4章 Pb掺杂对BiCuSeO薄膜热电性能的影响38-45
- 4.1 引言38
- 4.2 Bi_(1-x)Pb_xCuSeO薄膜的制备38-39
- 4.3 Bi_(1-x)Pb_xCuSeO薄膜的微结构分析39-41
- 4.3.1 晶体结构39-40
- 4.3.2 微观形貌40-41
- 4.4 Bi_(1-x)Pb_xCuSeO薄膜的热电性能41-44
- 4.4.1 电阻率41-42
- 4.4.2 塞贝克系数42-43
- 4.4.3 功率因子43-44
- 4.5 小结44-45
- 第5章 Ba掺杂对BiCuSeO薄膜热电性能的影响45-51
- 5.1 引言45
- 5.2 Bi_(1-x)Ba_xCuSeO样品的制备45-46
- 5.3 Bi_(1-x)Ba_xCuSeO薄膜的微结构分析46-48
- 5.3.1 晶体结构46
- 5.3.2 微观形貌46-48
- 5.4 Bi_(1-x)Ba_xCuSeO薄膜的热电性能48-50
- 5.4.1 电阻率48-49
- 5.4.2 塞贝克系数49
- 5.4.3 功率因子49-50
- 5.5 小结50-51
- 第6章 在Si衬底上制备BiCuSeO薄膜及其热电性能研究51-57
- 6.1 引言51
- 6.2 Si衬底上生长的BiCuSeO薄膜的制备51-52
- 6.3 Si衬底上生长的BiCuSeO薄膜的微结构分析52-54
- 6.3.1 晶体结构52-53
- 6.3.2 表面形貌53
- 6.3.3 微观形貌53-54
- 6.4 Si衬底上生长的BiCuSeO薄膜的热电性能54-56
- 6.5 小结56-57
- 结束语57-58
- 参考文献58-64
- 致谢64-65
- 攻读硕士研究生期间发表的学术论文65
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本文编号：611269
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