掺杂Bi的β-Cu2Se薄膜的微观结构与热电性能

目的 探究在β-Cu2Se薄膜中掺杂元素Bi对其组织结构及其热电性能的影响，探求Bi元素对载流子传输过程和热电性能的影响规律，为将来该类热电薄膜的研究和应用提供宝贵的经验。方法 使用粉末烧结制得Cu-Bi-Se合金靶材，使用磁控溅射的方法在含有SiO2层的单晶Si衬底上制备了不同Bi含量的β-Cu2‒xBixSe热电薄膜。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪分别研究了沉积薄膜的XRD谱、表面与截面形貌以及元素含量与分布。利用LSR-3电阻率/塞贝克系统测量了沉积薄膜的Seebeck系数与电导率。利用霍尔试验测量了沉积薄膜的室温载流子浓度和迁移率。结果 沉积薄膜主要由单一的β-Cu2Se相构成，在Bi掺杂量最大为1.07%(原子数分数)的薄膜还含有非常少量的α-Cu2Se相;在β-Cu2Se相薄膜中Bi的掺杂没有生成单质相而是替换点阵中的Cu而形成替位式固溶体。在沉积的β-Cu2‒xBixSe薄膜中，([Bi]+[Cu])/[Se]＞2.0且具有p型导电特征。随着温度的增加，电导率降低而Seebeck系数增加，彰显沉积薄膜的简并或半简并半导体的导电特性。当温度低于225 ℃时，沉积薄膜功率因子随Bi掺杂量的增加而增大;当温度高于225 ℃时，掺杂量为0.29%(原子数分数)的薄膜具有最大的功率因子，进一步增加Bi掺杂量，沉积薄膜的功率因子却逐渐减小。结论 使用磁控溅射的方法可制备β-Cu2Se薄膜，掺杂适量的Bi可显著提高薄膜的功率因子。