碲化铋基热电半导体晶体研究

碲化铋基热电半导体是中低温区高性能热电转换材料,在微电子、计算机以及航天等领域广泛用于局部致冷与精确温控,在工业余废热回收温差发电等领域具有良好的应用前景。通过合金化和掺杂的方法,可以增强声子散射降低晶格热导率,优化载流子浓度提高电性能,从而提高碲化铋基材料的热电性能。在简述碲化铋晶体结构和能带结构基础上,综述了合金化和掺杂提高碲化铋基半导体的热电性能、碲化铋基半导体晶体生长的方法及空间微重力对碲化铋基晶体区熔生长的影响,并展望了利用天宫二号空间实验室开展碲化铋基晶体生长及其相关研究。     

基片温度对射频磁控溅射碲化铋薄膜微结构和表面形貌的影响

碲化铋材料是目前已知的室温下性能优异的热电材料之一。本文利用射频磁控溅射在不同基片温度下制备了碲化铋薄膜。研究发现,基片温度对薄膜的微结构和表面形貌影响显著。随着温度的提高,薄膜内晶粒尺寸都不同程度地增加。基片温度100℃以上碲化铋薄膜为Bi2Te3相为主的多晶结构,并具有良好的c轴择优取向,形成了六角层状结构。基片温度250℃时薄膜转变为BiTe相,并在表面生成Te长条状颗粒。应力分析表明碲化铋薄膜与Si(100)基片之间的残余应力受温度影响明显。     

Cu(In,Al)(S,Se)_2薄膜的三靶共溅射制备与性能表征

采用磁控三靶共溅射的方法在玻璃衬底上沉积出了Cu-In-Al预制膜,后经硫硒化工艺得到了Cu(In,Al)(S,Se)2(CIASSe)薄膜吸收层,并利用XRD、EDAX、紫外-可见分光光度计等对薄膜样品结构、成分和光电性能进行了表征。研究了溅射功率、硫硒化温度及时间等工艺参数对CIASSe薄膜的结构、成分及光电性能的影响。结果表明:在CIA30W,Al60W,Cu50W三靶共溅的组合功率下,在540℃热处理,20 min后所得薄膜为贫铜的黄铜矿结构,晶体的晶化较好,晶粒沿着(112)晶向择优生长,薄膜成分接近理想的化学计量比,表面致密均匀,且其光学带隙约为1.40 eV,是性能较为良好的太阳能吸收层薄膜。     

非平衡磁控溅射W掺杂类金刚石薄膜的制备与性能研究

为了研究W掺杂对类金刚石薄膜性能的影响,采用非平衡磁控溅射方法,通过改变WC靶功率,在YG6硬质合金基体上制备了5组不同W原子百分数(0%～14%)的含氢类金刚石薄膜(a-C:H:W)。用扫描电镜分析了薄膜的形貌,用拉曼光谱分析了薄膜的微观结构,分别用纳米压痕仪、划痕仪、摩擦磨损试验仪测试了薄膜的纳米硬度、膜基结合力和摩擦学性能。结果表明,a-C:H:W薄膜表面为丘状颗粒,随着WC靶功率的增加,颗粒尺寸先减小后增加;W掺杂可促进薄膜的石墨化;W原子百分数为4%的薄膜的临界划痕力Lc2值达到78.28 N,磨损率为5.8×10^-8 mm³/(N·m),摩擦因数为0.09。     

Sb掺杂Li_7La_3Zr_2O_(12)陶瓷的显微结构及离子导电性能研究(英文)

采用传统固相反应法制备了锑掺杂的锆镧酸锂固体电解质陶瓷。对陶瓷的晶体结构、显微结构及元素分布、离子电导率进行了研究。结果表明:少量锑掺杂可明显提高锆镧酸锂固体电解质陶瓷的离子电导率。1160℃烧结的锑掺杂固体电解质中,晶粒表面形成无定型的薄膜。此薄膜抑制了晶粒生长,消除了晶界上的气孔,提高了陶瓷致密度,提高了陶瓷的离子导电率。1160℃烧结得到的Li6.925La3Zr1.925Sb0.075O12陶瓷离子电导率高达3.40×10-4 S/cm。     

第一性原理分析La、W共掺杂SnO_2的导电性

AgSnO_2触头材料在使用过程中会析出导电性很差的SnO_2晶体,从而影响继电器的使用寿命。为了提升SnO_2的导电性,通过Material Studio软件中的CASTEP模块,利用第一性原理,在SnO_2晶体中分别掺杂单一元素La、W以及共掺La、W,使掺杂比例保持在16.8%,计算得到晶体的晶胞参数、能带结构、态密度、原子布居、焓变值以及电导率等。结果表明:相对于单元素掺杂,共掺La、W后,带隙值减小为0.222 eV,两个5d轨道同时作用,价带顶穿过费米能级,增加杂质轨道。焓变值绝对值增加为11.635 eV,说明掺杂后结构较稳定。掺杂后La、W与O成键相对于Sn-O键成键作用更强,加剧电子转移。电导率为本征SnO_2的46.653倍,导电性提升。     

双靶反应磁控共溅射制备Al掺杂ZnO薄膜及其光电性能

采用双靶反应磁控共溅射法在Si（100）和载玻片衬底上制备了Al掺杂ZnO（ZAO）薄膜,利用X射线衍射仪（XRD）、原子力显微镜（AFM）、荧光分光光度计、紫外可见光分光光度计,四探针测试仪等手段对薄膜进行表征,研究了Al掺杂对ZnO薄膜结构和光电性能的影响。结果显示,Al掺杂未改变ZnO的晶体结构,ZAO薄膜沿（002）晶面生长,具有单一的紫光发射峰,在可见光区透过率大于80%,当Zn靶和Al靶溅射功率分别为100 W和20W时,ZAO薄膜的电阻率为8.85×10-4W.cm,表明利用双靶反应磁控共溅射法制备的ZAO薄膜具有较好的光电性能。     

碲纳米线柔性薄膜的制备及其热电性能

柔性热电器件能够直接将人体热量转化为电能,因而受到广泛的关注。本研究采用水热法合成了碲纳米线,探究了水热温度和反应溶液的还原性强弱(添加抗坏血酸与否)对碲纳米线形貌及热电性能的影响。与强还原性反应液(添加抗坏血酸)中制备的碲纳米线相比,弱还原性反应液(未添加抗坏血酸)中制备的碲纳米线具有较高的长径比,最高可达200,其组装的薄膜具有更高的电导率,达到26S·m^–1。进一步研究了成膜工艺对碲纳米线薄膜热电性能的影响,发现湿压法可提升薄膜的微观致密度,使薄膜中碲纳米线之间的微观连接更为紧密,从而改善了薄膜的载流子迁移率和载流子浓度,使薄膜的电导率提升了18.3倍,达到476 S·m^–1,塞贝克系数为282.9μV·K^–1,功率因子达到38μW·m^–1·K^–2。     

射频磁控溅射制备层状Bi-Te薄膜及热电性能研究

采用射频磁控溅射制备了具有特殊层状纳米结构的碲化铋热电薄膜. 以Bi₂Te₃为靶材, 在不同基底温度和沉积时间下制备了薄膜, 并利用X射线衍射、扫描电镜和X射线能谱等对样品进行了结构和成分分析, 同时测试了薄膜的电导率和Seebeck系数. 结果表明, 基底温度是影响薄膜微结构和热电性能的关键因素之一, 较高的基底温度利于层状结构的形成和功率因子的提高, 400℃基底温度下制备薄膜的功率因子最优. 然而, 所有薄膜均显示不同程度偏离Bi₂Te₃的化学计量比而缺Te, 优化薄膜成分有望进一步提高薄膜的热电性能.     

纳米结构和能带工程提高Bi-Sb-Te合金的热电性能（英文）

碲化铋由于其优异的性能,已成为商业上广泛使用的热电材料.然而,通过熔化方法获得的p型Bi-Sb-Te热电材料的性能仍有进一步改进的空间.在这项工作中,CsBr化合物被用来提高Bi_0.42Sb_1.58Te₃ (BST)材料的热电性能.采用熔化法和放电等离子体烧结相结合的方法制备了BST+x wt%CsBr (x=0,0.10,0.20,0.30)的块状材料.Cs和Br共掺杂可以显著提高BST合金的电导率,同时降低其热导率,使其在323 K下的最大ZT值为1.2.对于x=0.20的样品,在400 K以下具有1.1的平均ZT.密度泛函理论和透射电子显微镜分析表明,Cs掺杂有效地减小了带隙,增加了费米能级附近的态密度,并使能带变平缓,从而使电输运特性得到了明显增强(最大功率因子接近3500μW mK^-2).此外,Cs掺杂可以使得Sb从晶格中脱离出来并与晶格中的游离氧结合形成纳米级Sb₂O₃,使其能够有效地散射中频声子并降低热导率,同时保持相对较高的塞贝克系数.这项...     

磁控溅射制备铝掺杂氮化铜薄膜的结构及光电性能研究

以高纯铜和铝为靶材,氮气和氩气分别为源气体和工作气体,采用双靶共溅射磁控技术在单晶硅和石英片上制备了铝掺杂氮化铜(Cu₃N:Al)薄膜。对Cu₃N:Al薄膜的表面形貌、晶体结构、光透射性能和电学性能等进行表征、分析。研究结果表明,掺杂Al原子进入Cu₃N晶格空位;随着Al靶的直流溅射功率增大,Cu₃N:Al薄膜中Al含量增加;Al掺杂使得薄膜颗粒尺寸增大,薄膜表面变得粗糙。Cu₃N:Al薄膜表现为半导体特性,其光学带隙范围在1.41-1.80 eV;Al掺杂后,Cu₃N薄膜的光学带隙减小,其原因是掺杂Al原子改变了晶体内非平衡载流子寿命,导致薄膜的光学带隙降低。可见,通过调控Cu₃N薄膜中掺杂金属原子含量,可实现对其光电特性的调制。     

直流/射频反应磁控溅射法制备W掺杂VO_X薄膜的工艺和性能

用直流/射频反应磁控共溅射法分别在玻璃和单晶硅片基底上制备VOX薄膜和W掺杂VOX薄膜,经退火后,对薄膜进行电阻-温度特性、XRD、表面形貌等测试。结果表明:当溅射气压为1.5 Pa、氧氩比为0.8:25 sccm、V靶采用100 W直流电源、W靶10 W射频电源共溅射制备的W掺杂VOX薄膜,经Ar气氛中450℃退火2 h后,薄膜相变温度由未掺杂时的68℃降低到40℃左右。XRD衍射结果表明部分W原子进入了VOX晶格;另外单晶硅片上制备的VOX薄膜的电阻温度系数和电阻值均大于玻璃基片上制备的薄膜。     

射频磁控溅射(Ti,Al)N薄膜性能的研究

采用射频磁控溅射，用Al靶和Ti靶同时溅射沉积（Ti，Al）N薄膜。研究表明：不同Al靶功率沉积的薄膜中始终存在面心立方结构（B1型），当Al靶功率大于250W薄膜中面心立方结构（B1型）和六方结构（B4型）共存。随Al成分的增加，B1型结构晶格常数减小，薄膜择优取向由B1型（111）向B4型（002）转变。薄膜表面随Al靶功率增加分别呈岛状、纤维状和柱状增长。（Ti，Al）N薄膜的硬度随Al靶功率的增加呈上升趋势。等离子体发射光谱分析显示，在相同工艺条件下Al靶比Ti靶先进入非金属态溅射模式，导致在相同功率下Al溅射速率低于Ti溅射速率。     

四氯苯醌/三苯磷可控掺杂四取代酞菁铜薄膜材料的导电性能研究

本文通过电化学沉积方法制备了一种四氯苯醌/三苯磷可控掺杂四取代酞菁铜薄膜材料体系,研究了该可控掺杂有机薄膜材料的导电性能.研究结果表明,四取代酞菁铜可控掺杂薄膜材料的电导率,随着温度的升高或掺杂剂浓度的增加而显著增加,其原因是酞菁铜给体与四氯苯醌和三苯基磷等小分子电子受体之间发生了较强的氧化还原作用.     

电化学原子层外延沉积碲化铋纳米薄膜研究

本文首次研究了电化学原子层外延(ECALE)法室温沉积碲化铋纳米薄膜的过程.ECALE是原子层外延的电化学模拟.它通过欠电位技术实现电化学沉积过程中的原子级的精确控制,每次只沉积一个原子层厚度,通过沉积循环的控制可以实现对沉积薄膜材料种类和厚度的控制.采用三电极和循环伏安法,分别研究确定了Pt电极上欠电位沉积金属Bi薄膜、Te在Pt电极上欠电位沉积条件以及Bi在Te表面和Te在Bi表面的交替沉积行为及其沉积参数,通过不同电位交替沉积得到Bi2Te3纳米薄膜.对薄膜的氧化剥落及其电量分析结果进一步证明了该薄膜的沉积过程是一种二维层状生长过程.     

磁控溅射Cu-W薄膜的组织与结构

采用双靶磁控溅射共沉积方法制备Cu-W薄膜,其微观结构及形貌通过XRD、TEM和SEM方法测试,结果表明,Cu-W薄膜是由Cu固溶于W或W固溶于Cu的亚稳态固溶体组成,且随着W含量的增加,Cu-W薄膜依次形成面心立方fee结构的Cu基亚稳固溶体、fee和bee结构固溶体的双相区以及体心立方bee结构的W基亚稳固溶体,晶粒尺寸随溶质原子含量的增加而减小.这些亚稳固溶体的形成是由于溅射出的原子动能足以克服Cu、W固溶所需的混合热.以及溅射过程中粒子的纳米化和成膜过程中引入的大量缺陷造成的.     

双靶共溅射沉积碳掺杂AlN薄膜的光学性能研究

采用双靶共射频反应磁控溅射在单晶Si(100)和石英基底上制备了碳掺杂氮化铝(AlN)薄膜,探究碳含量对AlN薄膜光学性能的影响。发现铝靶和石墨靶双靶共溅射沉积时,所制备AlN薄膜中碳含量比单一铝靶溅射时沉积的AlN薄膜中的碳含量低:双靶共溅射时,随着石墨靶射频放电功率由20 W增加到40 W,薄膜中的碳含量由2.10%降低到1.91%,单一铝靶溅射时,薄膜中的碳含量为3.50%,这是由于双靶共溅射沉积时,真空室中的反应气体氮气参入石墨靶放电,生成CN基团,这些CN基团又和背景真空中的残余氧化碳气体反应,生成可挥发且稳定的CNO基团,从而降低了薄膜生长表面氧化碳的面密度,导致薄膜中的碳含量减少。利用X射线衍射分析、X射线光电子能谱和紫外-近红外光谱等检测方法对AlN薄膜进行表征。结果表明:薄膜中的碳含量对其光学性能有显著影响,当单一铝靶溅射时,薄膜中碳含量较高(3.50%),AlN薄膜禁带宽度较小,为3.90 eV;当石墨靶功率为20、25、30、40 W时,碳含量较低(2.10%、1.81%、1.83%、1.91%),AlN薄膜禁带宽度较大,为4.85、4.91、4.88和4.81 eV。这是由于碳杂质导致薄膜缺陷密度增加,结晶质量变差,从而使禁带宽度减小。     

溅射功率对CdZnTe薄膜成分和结构的影响

采用Cd0.9Zn0.1Te晶体作为溅射靶在玻璃衬底上利用磁控溅射法制备出CdZnTe薄膜,研究了溅射功率对CdZnTe薄膜的成分、结构特性的影响。制备的CdZnTe薄膜是具有闪锌矿结构的多晶薄膜,沿（111）择优取向。随着溅射功率的增大,薄膜沉积速率增大,薄膜结晶质量提高。采用晶体靶Cd0.9Zn0.1Te溅射CdZnTe薄膜时,无论是在何种功率下CdZnTe薄膜中的Cd原子成分均高于Te原子成分,Cd原子表现为择优溅射原子。     

Al-Sn共掺杂ZnO薄膜的结构与光电性能研究

采用射频磁控共溅射法在玻璃衬底上制备出了Al与Sn共掺杂的ZnO(ATZO)薄膜.在固定ZnO∶Al(AZO)靶溅射功率不变的条件下,研究了Sn靶溅射功率对ATZO薄膜的结晶质量、表面形貌、电学和光学性能的影响.结果表明,制备的ATZO薄膜是六角纤锌矿结构的多晶薄膜,具有c轴择优取向,而且表面致密均匀.当Sn溅射功率为5W时,330 nm厚度的ATZO薄膜的电阻率最小为1.49×10-3 Ω·cm,比AZO薄膜下降了22％.ATZO薄膜在400～900 nm波段的平均透过率为88.92％,禁带宽度约为3.62 eV.     

直流反应磁控溅射沉积CuInS2薄膜的结构与电学性质

采用直流反应磁控溅射技术在玻璃基底上制备了太阳电池用CuInS2薄膜.以X射线能量色散谱仪、扫描电镜、X射线衍射仪、冷热探针和霍尔效应测试系统对薄膜进行了表征.结果表明,薄膜成分可通过调整Cu靶和In靶的功率比PCu/PIn来进行调控;而薄膜形貌则取决于靶功率比和薄膜的成分.随着PCu/PIn的增大,薄膜物相由富铟相向CuInS2转变.对于CuInS2薄膜,提高铜铟原子比[Cu]/[In]可改善薄膜的结晶质量.但当薄膜富铜时,过高的[Cu]/[In]又会导致薄膜结晶质量的下降.当CuInS2薄膜为富铜与略微贫铜时,其导电类型为P型;且载流子浓度随[Cu]/[In]增加而增大,并远高于其它贫铜薄膜.CuInS2薄膜的载流子迁移率明显高于富铟相薄膜;且随着[Cu]/[In]的提高,CuInS2薄膜的载流子迁移率呈上升趋势,而电阻率则迅速下降.