关键词:
PbTe/PbSe薄膜
纳米复合
自补偿
热电效应
器件
摘要:
PbX(X=Se,Te)是一种具有巨大发展前景半导体热电材料。其带隙为直接带隙,具有较高的电导率。PbX的化学稳定性和热稳定性较好,晶格结构简单,因此是热电研究领域的热点材料之一,并且在多个领域得到广泛应用。和块材材料相比,热电材料的薄膜化有利于提高其热电性能,而且制备工艺更简易和现有半导体工艺相兼容,在高端热电集成器件制备上更具优势,更符合未来电子器件高性能、微型化、轻量化、低功耗的发展趋势。在过去的研究中,相比于其他热电材料,PbX薄膜材料的制备和调控研究相对较少。特别是对于PbX薄膜的微结构和电子结构的调控,研究尚不充分。此外,由于PbX较高的熔点和易氧化的特性,其薄膜材料的制备和性能调控相对更具挑战性。制备高质量的PbX薄膜并对其性能进行调控是一项具有挑战性的任务。本论文采用脉冲激光沉积(PLD)技术,在SrTiO3(STO)衬底上制备了高质量的PbX薄膜,并通过掺杂调控了其热电性能,在此基础上研究了PbTe和PbSe基柔性热电薄膜器件,探索了其在可穿戴电子设备领域的应用。主要研究内容及结论如下:
(1)过量Se空位对PbSe薄膜热电性能影响及调控研究:采用PLD制备了高质量PbSe薄膜,将薄膜与Pb块进行封管退火,探究了不同退火时间对PbSe薄膜热电性能的影响。一方面,随着退火时间的增加,PbSe薄膜中开始出现Se空位。这些Se空位导致载流子浓度增加,从而极大地提升了薄膜的电学性能。另一方面,微观组织结构研究表明,大量Se空位使得PbSe薄膜表面富集了Pb3Se2第二相,由于其结构的非谐对称性增强了声子散射,进而降低了晶格热导率。最终,在退火时间为90分钟的样品中,获得了0.20的ZT值。这表明通过引入过量的Se空位,可以在PbSe表面形成Pb3Se2第二相,进而提高PbSe薄膜在室温下的热电性能。
(2)Pb自补偿PbTe薄膜制备和热电性能研究:利用PLD制备了不同Pb/Te含量比的薄膜,并探究了不同Pb元素自补偿对于PbTe薄膜热电性能的影响。一方面,随着Pb含量的增加,Pb自补偿可以抑制Pb空位的产生,从而增加载流子浓度和载流子迁移率,这进一步提高了PbTe薄膜的电导率和功率因子。另一方面,随着Pb含量的继续增多,PbTe中会出现纳米Pb单质,这种析出现象有效降低了声子散射,从而降低晶格热导率,使得样品的热电性能得到了进一步的提高。最终在Pb1.11Te的样品中获得了室温下0.22的ZT值。
(3)PbTe:Ag纳米复合薄膜制备和热电性能研究:利用PLD制备了高质量的PbTe:Ag纳米复合薄膜,并研究了不同Ag含量对薄膜热电性能的影响。研究结果显示,随着Ag含量的增加,由于异质界面的能量过滤效应,提高了载流子的平均能量,从而导致了塞贝克系数的增加。在475 K时,PbTe:9%Ag样品的功率因子(PF)达到了24.35μW cm-1K-2。同时,随着Ag纳米颗粒尺寸的增加,薄膜样品的晶格热导率降低,导致总热导率的进一步下降。最终,在Ag含量为12%的样品中,获得了室温约0.35的ZT值。这表明通过Ag复合可以提升PbTe薄膜在室温区的热电性能。
(4)PbX(X=Se,Te)薄膜器件的制备以及性能的研究:采用PLD技术在柔性基板上成功制备了纯PbTe和PbSe薄膜,并分别搭建了PbTe和PbSe薄膜热电器件。经研究发现,基于PbTe和PbSe的热电薄膜器件的输出功率高于其它金属硫族热电半导体材料,因此在可穿戴电子设备中具有潜在的应用价值。