高性能Bi2Te3基热电薄膜材料及其器件研究

123456aa · 发表于 2022-3-30 09:46:57

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雅宝题库解析：
碲化铋基合金是目前最好的室温热电材料，大多数热电制冷器件均采用此类材料。通过掺杂可优化材料的载流子浓度和迁移率，从而提升其热电性能，但提升幅度有限。而低维纳米化是提升其热电性能的另一条重要途径，特殊的纳米结构会对载流子和声子的输运产生影响，通过设计优化材料的微观结构可大幅提升其热电性能。Bi2Te3基薄膜可有效引入特殊纳米结构，为了增加传感器等的响应速度，也需将材料做成薄膜。因此，Bi2Te3基薄膜具有较高的研究价值。本论文以Bi2Te3基薄膜为研究对象，针对目前其热电性能较低的题目，通过优化薄膜的成分与结构来提升其热电性能。具体是采用磁控溅射法，在不同基底上制备了n型Bi2Te3薄膜和p型Bi0.5Sb1.5Te3薄膜。通过调节溅射方式、沉积温度、退火时间、溅射功率和工作气压等工艺参数来优化薄膜的成分与结构，并测试了薄膜的热电性能。利用n型Bi2Te3或p型Bi0.5Sb1.5Te3合金靶在高温下溅射，可使薄膜具有层状结构和(00l)晶面的择优定向性，利于面内热电性能的增强，但高温下Te的挥发抑制了热电性能的进一步提升。采用Bi2Te3与Te双靶共溅射或Bi0.5Sb1.5Te3与Sb、Te三靶共溅射的方式后，薄膜的成分得到了有效的控制。同时适当时间的退火、较高的工作气压及共溅射的方式均利于薄膜(00l)晶面择优定向性的增强和热电性能的提升。因此，有效控制(00l)晶面择优定向生长是提升Bi2Te3基材料热电性能的重要途径。同时，薄膜中的特殊层状结构引入了大量晶界，增加了对声子的散射，利于热导率的降低。进一步采用最优的n型Bi2Te3薄膜和p型Bi0.5Sb1.5Te3薄膜，制作了两种不同结构的串联型和并联型薄膜热电器件，并测试了器件的制冷性能。设计的并联型薄膜热电器件的制冷性能更优，且其结构更适用于对具有高热流密度的微芯片进行制冷。

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