单相Ca2Si薄膜的多尺度构建及其热电性能研究

The basic physical properties and thermoelectric properties of metal silicide semiconductor have been great concerned as environmental friendly semiconductor with its advantages of low cost, no toxic, free-pollution and high stability et al. But the studies for the growth of Ca2Si film is few and thermoelectric properties is confined to theoretical calculation basically because of multiphase growth during Ca-Si system, easy evaporation of Ca and its complex crystal structure.In this subject, the Ca2Si is grown through two step heat treatment of Si substract in the high vacuum system under the Mg, Ca atmosphere, respectively. The multi-scale and continuous single-phase Ca2Si film is obtained through the control of Mg, Ca atomsphere pressure, temperature, time and the other parameters with Mg2Si as a transition film over Si substrate first. The effect of Mg, Ca atomsphere pressure, temperature and the other parameters on the kinetics and thermodynamics for the growth of different structure of Mg2Si and Ca2Si film will be studied. The basic physical properties and thermoelectric properties for different scale characteristics of Ca2Si will be studied. The relationship between the band gap value/type and the structure characteristics of Ca2Si film will be build. The band structure and thermoelectric properties of different characteristics of Ca2Si film will be calculated via first-principle calculation, to guide and optimize the experimental parameters and improve the thermoelectric properties(ZT), then promote Ca2Si to be used in thermoelectric devices and other related applications.

金属硅化物半导体以其低成本、无毒无污染、高稳定性诸多优点被称为环境友好型半导体，其基础物性和热电特性受到广泛关注。由于Ca-Si系统的多相生长、Ca的易蒸发性和自身晶体结构的复杂性，对Ca2Si薄膜的生长研究还很少，其热电性能的研究也基本局限于理论计算。本课题采用真空加热两步生长法，分别在Mg、Ca蒸汽氛围中，通过控制Mg、Ca蒸汽压、温度、时间等参数，实现在Si衬底生长以Mg2Si为过渡层，并最终获得不同尺度、连续生长的单相Ca2Si薄膜。研究Mg、Ca蒸汽压、温度等因素对Mg2Si和Ca2Si薄膜生长过程的动力学和热力学影响；研究不同结构尺度特征下，薄膜的基础物性和热电性能，建立起Ca2Si带隙值、带隙类型与结构特征的关系；通过第一性原理计算不同结构特征的Ca2Si薄膜的能带结构及热电性能来指导并优化实验参数，提升薄膜的热电性能（ZT），促进Ca2Si在热电器件等相关领域的应用。

金属硅化物半导体以其低成本、无毒无污染、高稳定性诸多优点被称为环境友好型半导体，其基础物性和热电特性受到广泛关注。由于Ca-Si系统的多相生长、Ca的易蒸发性和自身晶体结构的复杂性，对Ca2Si薄膜的生长研究还很少，其热电性能的研究也基本局限于理论计算。本课题采用磁控溅射法在Si衬底上生长以Mg2Si为过渡层的单相Ca2Si薄膜，并利用XRD、SEM、EDS等分析方式对薄膜进行物相、结构和界面表征。同时研究了在不同条件下制备的薄膜材料的载流子浓度、移动度、霍尔系数等，并采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法对不同结构的Ca2Si的能带结构及热电性能进行模拟计算。热电测试结果表明Ca2Si薄膜在中温段200℃~400℃有着很高的Seebeck系数，约为380μV/K。通过测试Ca2Si烧结块体随温度变化的Seebeck系数，结果表明，在测试温度范围内20-600℃范围内，获得的Seebeck系数也大于200μV/K，并且其Seebeck系数为正数，证明了Ca2Si主要是以空穴传导为主，为P型半导体。同时，采用Ag离子掺杂Ca2Si，并对掺杂浓度对热电性能的影响进行研究。发现Ca2Si的电导率得到显著提高，而对Seebeck系数并没有产生太大影响。该测试数据和理论计算结果非常的吻合，表明了Ca2Si作为热电材料具备巨大的潜力。本课题研究将低维化与掺杂这两种能有效改善材料热电性能的手段同时运用到Ca2Si基热电材料的研究中，有效地来提升薄膜的热电性能（ZT），促进Ca2Si在热电器件等相关领域的应用，并为相关金属半导体材料的研究提供科学依据。