氧化物热电薄膜材料的脉冲激光沉积与热电性能优化

Thin film growth for thermoelectric materials is one of the most important procedures for making micro-scaled thermoelectric devices, which can realize the conversions between thermal and electrical energies within the range of micro-scale. Meanwhile, the reduction in dimension can effectively modify the band structure and density of energy state close to the Fermi level. This makes it possible to optimize the Seebeck coefficient independently without altering the carrier concentration. Therefore, growing thermoelectric thin films is crucial important in both aspects of fundamental research and practical applications. The present project will perform thin film growth for Co- and Ti- based thermoelectric oxide materials by pulsed laser deposition. The thermoelectric performances of as-grown thin films will be optimized by adjusting the deposition conditions, designing the superlattice structures and introducing the interface strains. The following two fundamental issues will be mainly investigated: 1) Establishing the basic correlation among the deposition condition, properties of the laser induced plasma, and the performances of thin films by analyzing the laser induced plasma plume using the Langmuir probe. 2) Optimizing the thermoelectric performances utilizing the interface strains between the thin film and the substrate, since the interface strains may cause the distortion of crystal structure and adjust the transportation properties. Based on thin film growth, the fabrication of thin film thermoelectric devices will be further explored by lithography.

热电薄膜材料的生长是进一步制备微型热电器件从而实现热能与电能在微尺度内相互转换的重要基础步骤。同时，通过维度的降低可以有效调节热电材料能带结构与能态密度分布，为实现电导率与赛贝克系数的相对独立优化提供可能。因此，开展有关热电薄膜的研究具有重要的学术意义与关键的应用价值。本项研究拟采用脉冲激光沉积法生长钛基、钴基氧化物热电薄膜材料，从沉积动力学、超晶格结构、界面应力场三方面着手优化所生长薄膜材料的热电性能。重点探索两方面科学内容：1) 通过朗格缪尔探针法对承担物质传输的等离子体进行性能表征，从基础角度建立沉积条件、等离子体性质、薄膜性能三者间的内在联系，为生长工艺的探索与优化提供理论依据。2)探索利用薄膜与衬底间界面间应力场所引起的晶格畸变，调节材料的能带结构与电传输性能，从而优化热电功率因子的新途径。在高性能热电薄膜材料的生长基础上，进一步通过掩模与光刻等技术探索薄膜热电微器件的制备工艺。

在过去三年中，申请人按照研究计划系统开展了关于热电薄膜材料生长于薄膜热电器件制备的相关工作，优化生长了掺杂钛酸锶（N-型）、钙钴氧（P-型）、碲化铋等多体系热电薄膜材料。特别地，通过构建界面应力场与界面极化，在掺杂钛酸锶薄膜材料中实现了区别于传统热电材料的电输运特性，打破了电导率与赛贝克系数的固有相互约束关系，从而实现了对热电功率因子的大幅度提高。在制备N-型、P-型热电薄膜材料的基础上，进一步通过微加工手段探索制备面内薄膜热电微型器件。本项目所取得的成果主要体现在发表学术论文，申请发明专利，培养学生三方面。本项目支持下发表的以申请人为第一/通讯作者论文共计16篇，其中包括Nature Communications, Advanced Materials, Materials Horizons, ACS Energy Letters等多篇影响因子超过10.0的高档次文章；以申请人为第一发明人申请的中国发明专利共计5项，已授权2项。科研育人方面，培养硕士研究生5名，协助培养博士生3名。合作方面，申请人在本项目的资助下，开展了与中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院高能物理研究所同步辐射光源、日本东京大学工学院等国内外单位的合作，并共同发表文章5篇，共同申请发明专利1项。学术交流方面，申请人参加国内会议3次并作学术报告，国际会议2次并作学术报告；并前往日本东京大学进行合作交流并作报告。综上，本项目执行中从研究成果、科研育人等两个方面，圆满预定研究计划与目标。