柔性碲化铋薄膜的制备及其光电性质的研究

发布时间：2018-04-21 11:15

本文选题：碲化铋 + 柔性薄膜　；参考：《中国科学院上海技术物理研究所》2017年博士论文

【摘要】：碲化铋(Bi2Te3)是一种典型的层状半导体材料,在上个世纪六十年代碲化铋基合金材料被发现具有优良的热电性质以后,有关碲化铋的热电性质的研究和应用就一直受到人们的广泛关注。最近,对三维拓扑绝缘体的研究逐渐兴起,而碲化铋在2009年则被理论预言为三维强拓扑绝缘体材料并在同年被相关实验所证实,此后碲化铋又再次成为了研究的热点材料。同时,由于具有独特的层状结构以及可以在室温下工作的热电转换性能,碲化铋在近些年发展起来的可穿戴柔性电子器件的研究领域也开始受到关注并展现出广阔的应用前景。在本论文中,主要讨论了如何利用改进的热壁外延技术在柔性PI塑料衬底上生长可弯曲的碲化铋薄膜,以及利用该柔性碲化铋薄膜制作柔性可弯曲电子器件,并对其进行相关热电和光电性质研究的实验过程和实验结果,最后对获得的实验结果进行了分析和讨论。论文中的主要研究内容和结论如下:首先,我们利用改进的热壁外延技术在柔性的PI塑料衬底上生长出了高质量的碲化铋多晶薄膜。热壁外延技术是一种简单、经济的薄膜气相生长工艺,虽然其生长的薄膜质量可能达不到分子束外延设备所生长的薄膜质量,但通过改进其生长工艺依然能够获得较高质量的多晶薄膜。在实验过程中,我们利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜对通过热壁外延技术在PI上生长的碲化铋薄膜的晶体质量进行表征,并以此为依据改进生长条件,最终获得了晶体质量高于文献中曾报道过的相同技术下生长的碲化铋薄膜。在生长出高质量柔性碲化铋薄膜的基础上,我们利用薄膜制作了简单的柔性电子器件,并测量了其在不同弯曲程度下的光电导响应。结合SEM的实验结果表明该柔性器件即使在弯曲程度很大的情况下依然可以保持稳定的光电导响应,说明我们利用热壁外延技术生长的碲化铋薄膜完全可以应用在柔性电子器件的制备中。然后,我们使用该柔性电子器件研究了可弯曲碲化铋薄膜的热电性质。我们自主搭建了柔性薄膜的温差电测量装置,并测量了正反温度梯度方向下可弯曲碲化铋薄膜的塞贝克系数,结果发现在受衬底不均匀应力的作用下,c-轴取向的碲化铋多晶薄膜在x-y平面内的塞贝克系数表现出与温度梯度方向相关的单向性,这与以往文献中有关碲化铋的塞贝克系数与温度梯度方向无关的报道结果不同。通过进一步的实验和分析,我们认为导致该柔性碲化铋薄膜中出现反常塞贝克效应的原因是由于水平面内的应力梯度在薄膜中引起了挠曲电效应。在得出该结论后,我们详细分析了挠曲电电场和温差电动势共同作用下薄膜两端开路电压的变化过程。最后,通过自主设计的实验步骤,我们观察到了柔性碲化铋薄膜中由挠曲电电场所引起的体光伏效应。由于碲化铋属于优良的热电材料,极小的温度梯度就会产生较大的温差电动势。为了排除温差电压的影响,我们通过水平转动薄膜两电极方向改变了薄膜中挠曲电电场的方向,同时保持其温差电压的方向不变,这样通过对比实验就成功的分辨出了挠曲电电场所产生的光电压和温度梯度所产生的温差电压对测量结果的影响。通过上述实验,我们证明了PI衬底上的柔性碲化铋薄膜存在由挠曲电电场产生的体光伏效应,且进一步实验表明该光电压的大小和方向受薄膜弯曲程度和方向的影响。
[Abstract]:In this paper , the crystal quality of bismuth telluride thin films grown by thermal wall epitaxy is studied .

【学位授予单位】：中国科学院上海技术物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O484

【相似文献】