溅射沉积掺Ag的SnSe薄膜的微结构和热电性能
发布时间：2021-06-17 23:06
使用粉末烧结SnSe合金靶高真空磁控溅射制备掺杂Ag的SnSe热电薄膜,利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）等手段分析薄膜的相组成、表面形貌、截面形貌、微区元素含量和元素分布,利用塞贝克系数/电阻分析系统LSR-3测量沉积薄膜的电阻率和Seebeck系数,研究了不同Ag含量SnSe薄膜的热电性能。结果表明,采用溅射技术可制备出正交晶系Pnma结构的SnSe相薄膜,掺杂的Ag在薄膜中生成了纳米Ag3Sn。与未掺杂Ag相比,掺杂Ag的SnSe薄膜其电阻率和Seebeck系数（绝对值,下同）明显减小。并且在一定掺杂范围内,掺杂Ag越多的薄膜电阻率和Seebeck系数越小。未掺杂Ag的SnSe薄膜样品,其Seebeck系数较大但是电阻率也大,因此功率因子较小。Ag掺杂量（原子分数）为7.97%的样品,因其Seebeck系数绝对值较大而电阻率适当,280℃时的功率因子最大(约为0.93 mW·m-1·K-2),比未掺杂Ag的样品(PF=0.61 m W·m-1·K-2)高52...
【文章来源】：材料研究学报. 2020,34(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
不同Ag含量(原子分数)SnSe薄膜的XRD谱、局部XRD谱和掺4.42%Ag样品的元素分布图
图1 不同Ag含量(原子分数)SnSe薄膜的XRD谱、局部XRD谱和掺4.42%Ag样品的元素分布图图3给出了不同Ag含量SnSe薄膜的截面形貌。由图3可见，衬底与薄膜结合紧密。这与实验前将衬底预热至300℃有关，适当的衬底温度能增大界面附着力，有利于衬底与薄膜致密结合。观察发现，衬底上形成致密且厚度均匀的薄膜，均由柱状结构组成，表现出明显的柱状生长。柱状结构，则是由一个方向来的溅射粒子流在吸附原子表面扩散速率很小的情况下凝聚而成。断口处的晶粒多呈台阶样式，这是断口沿着柱状晶粒的某一晶面断裂所致。无Ag掺杂薄膜的厚度约为10μm，而掺杂Ag的薄膜厚度在5～6μm左右。Ag的掺杂改变了Sn和Se在沉积中的扩散速度，使薄膜变薄。
式中NC、Nv、Eg、k0和T分别为导带有效状态密度、价带有效状态密度、禁带宽度、玻耳兹曼常数、温度。上式说明，禁带宽度Eg越小则本征载流子浓度ni越大。这意味着，在相同温度下Ag3Sn相具有比基体的SnSe相更多的载流子浓度，即掺杂Ag后在基体中形成的Ag3Sn相使载流子浓度提高。王雪[18]发现，生成的第二相Ag2Se可引入大量空穴，使载流子浓度提高；李松浩等[19]制备的SnAgSe2相和Chen等[21]制备的AgSnSe2相，也使载流子浓度显著提高；特别是Luo等[8]制备出纳米结构的Ag8SnSe6相，不仅使载流子浓度提高两个数量级，而且使价带收敛，从而使电导率和塞贝克系数急剧提高。同时，纳米结构的Ag8SnSe6还进一步加强了声子散射，实现了超低的晶格热导率。这些结果表明，纳米结构的第二相能更有效更全面地提高基体的热电性能。而本文制备的薄膜，其中的纳米尺寸Ag3Sn相对基体热电性能有很大的影响。Seebeck系数为正值表明样品为p型半导体，半导体的电阻率为ρ=1/neμp，式中n为载流子浓度，e为载流子电量，μp为载流子迁移率。由此可见，载流子浓度越高电阻率越小。因此，掺杂Ag的样品其电阻率均低于未掺杂的样品。在较低温度下样品的电阻率大幅降低，但是温度高于200℃时电阻率的下降趋于平缓。随着温度由室温开始升高本征激发迅速增加，大量本征载流子对电阻率的影响远远超过迁移率减小对电阻率的影响，从而使电阻率随温度的升高而急剧下降。随着Ag含量的提高SnSe薄膜中Ag3Sn相含量增多，即载流子浓度增大，因此电阻率随这Ag含量的提高而减小。图4 不同Ag含量SnSe薄膜的电阻率与温度的关系
本文编号：3236090
【文章来源】：材料研究学报. 2020,34(08)北大核心EICSCD
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不同Ag含量(原子分数)SnSe薄膜的XRD谱、局部XRD谱和掺4.42%Ag样品的元素分布图
图1 不同Ag含量(原子分数)SnSe薄膜的XRD谱、局部XRD谱和掺4.42%Ag样品的元素分布图图3给出了不同Ag含量SnSe薄膜的截面形貌。由图3可见，衬底与薄膜结合紧密。这与实验前将衬底预热至300℃有关，适当的衬底温度能增大界面附着力，有利于衬底与薄膜致密结合。观察发现，衬底上形成致密且厚度均匀的薄膜，均由柱状结构组成，表现出明显的柱状生长。柱状结构，则是由一个方向来的溅射粒子流在吸附原子表面扩散速率很小的情况下凝聚而成。断口处的晶粒多呈台阶样式，这是断口沿着柱状晶粒的某一晶面断裂所致。无Ag掺杂薄膜的厚度约为10μm，而掺杂Ag的薄膜厚度在5～6μm左右。Ag的掺杂改变了Sn和Se在沉积中的扩散速度，使薄膜变薄。
式中NC、Nv、Eg、k0和T分别为导带有效状态密度、价带有效状态密度、禁带宽度、玻耳兹曼常数、温度。上式说明，禁带宽度Eg越小则本征载流子浓度ni越大。这意味着，在相同温度下Ag3Sn相具有比基体的SnSe相更多的载流子浓度，即掺杂Ag后在基体中形成的Ag3Sn相使载流子浓度提高。王雪[18]发现，生成的第二相Ag2Se可引入大量空穴，使载流子浓度提高；李松浩等[19]制备的SnAgSe2相和Chen等[21]制备的AgSnSe2相，也使载流子浓度显著提高；特别是Luo等[8]制备出纳米结构的Ag8SnSe6相，不仅使载流子浓度提高两个数量级，而且使价带收敛，从而使电导率和塞贝克系数急剧提高。同时，纳米结构的Ag8SnSe6还进一步加强了声子散射，实现了超低的晶格热导率。这些结果表明，纳米结构的第二相能更有效更全面地提高基体的热电性能。而本文制备的薄膜，其中的纳米尺寸Ag3Sn相对基体热电性能有很大的影响。Seebeck系数为正值表明样品为p型半导体，半导体的电阻率为ρ=1/neμp，式中n为载流子浓度，e为载流子电量，μp为载流子迁移率。由此可见，载流子浓度越高电阻率越小。因此，掺杂Ag的样品其电阻率均低于未掺杂的样品。在较低温度下样品的电阻率大幅降低，但是温度高于200℃时电阻率的下降趋于平缓。随着温度由室温开始升高本征激发迅速增加，大量本征载流子对电阻率的影响远远超过迁移率减小对电阻率的影响，从而使电阻率随温度的升高而急剧下降。随着Ag含量的提高SnSe薄膜中Ag3Sn相含量增多，即载流子浓度增大，因此电阻率随这Ag含量的提高而减小。图4 不同Ag含量SnSe薄膜的电阻率与温度的关系
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