柔性硅锗超晶格量子点薄膜材料的制备及热电机理研究

Wearable electronic devices are increasing very quickly recently, urgent requiring a power generation system with micromation, flexibility, safety, stabilization. Thermoelectric materials provide environmental friendly, safety, mute, reliable features for power generation and cooling technology, the devices based on Silicon material own the advantages: such as, low-cost, non-toxic and compatibility with the MEMS manufacturing process, meet the requirement of wearable electronic devices very well. Following the previous study, we designed the new Si thin film devices on flexible glass substrate fabricated by molecular beam epitaxy (MBE) and magnetron sputtering methods. An alternative deposition of SiGe superlattice and SiB layer film followed by fast post-annealing process to generate Si quantum dots by the assistant of B element, finally, the superlattice quantum dot film will be achieved. The innovatively design film structure could be tuned by the thickness of superlattice layer, the strain of the buffer layer, density of the quantum dot, size and composition of quantum dot, the micrograin between superlattice and quantum dot. Combining the guidance of first principle calculations, the quantum confinement effects and synergistic effects induced by the micro interfaces to improve the thermoelectric properties, i.e. Spinning Seebeck, Fano effect, abnormal Fano effect, are expected to be clarified. This proposal opens-up the new way for thermoelectric material applications and push forward the mechanism and theory development for thermoelectric conversion.

可穿戴式智能设备近年来呈井喷式发展，绿色环保的半导体热电转换材料有望为移动设备提供安全稳定的电源系统。硅基薄膜器件因具有低成本、无毒性、易于现有MEMS制作工艺兼容等诸多优点，十分契合此应用需求。本项目在前期研究和理论计算的基础上，提出采用实验室特制分子束外延和磁控溅射镀膜设备，在柔性玻璃衬底上预溅射缓冲层之后交替沉积硅锗超晶格及硅硼薄膜，利用硅中掺杂硼元素结合快速后退火处理的方法获得超晶格量子点薄膜新结构。通过调控缓冲层种类、超晶格结构的厚度、量子点密度、尺寸和组成、超晶格与量子点的微观界面分布等参数，结合第一性原理计算以期揭示量子限制效应 (如声子的空间限制与局域化、自旋Seebeck效应、Fano效应和反常Fano效应等)对提高薄膜热电性能的作用机理，从而有望综合提高热电性能，由此推动对Si/Ge热电薄膜基础理论的深化认识和柔性可穿戴器件中的应用。

可穿戴式智能设备近年来呈井喷式发展，绿色环保的半导体热电转换材料有望为移动设备提供安全稳定的电源系统。硅基薄膜器件因具有低成本、无毒性、易于现有MEMS制作工艺兼容等诸多优点，十分契合此应用需求。本项目中我们通过第一性原理计算结合高真空磁控溅射，离子注入精准掺杂，结合超高温瞬时热处理技术构建超晶格内包量子点低维结构的Si/Ge热电薄膜材料，最终获得了超晶格量子点结构对热电性能提升的机理。在Si1−x−yGexSny无定形薄膜中，Sn的存在降低了SiGe的结晶温度，配合高温瞬时加热，使得各组分产生原位像分离，快速冷却的过程使得Ge、Sn元素素围绕晶核快速结晶，形成第二相。金属Sn第二相对半导体母体（SiGe）有着明显的调制掺杂作用，大幅度提升了电导率，但也在一定成都上恶化了材料的赛贝克系数；而纳米尺度的Ge第二相的尺寸与载流子的平均自由路径和/或相干长度相当，产生了量子限制效应，Ge量子点作为电荷势阱，捕获了能量低于量子点界面势垒的低能载流子，高于量子约束能力的载流子可以有效地逃逸并通过量子陷阱。这种嵌入式量子点改变了依赖特征能量的散射弛豫时间，因此，S得到增强。由于散射而损失的载流子则通过Sn的调制掺杂效应补充，因此同时获得了较大的赛贝克系数与电导率，实现二者关系的解耦，极大的增强了PF。同时由于大量多尺度界面的存在，较好的抑制了热导率的上升，得到了室温下zT值较高的Si基热电材料。 纳米第二相的引入的手段通常包括采用掺杂或原位析出，在薄膜外延生长工艺中，通过外部掺杂引入第二相通常比较困难，采用周期性超晶格沉积结合高温瞬时热处理技术可以利用硅锗结晶产生的应力应变生成低维纳米结构，从而简单快速提升热电性能。该方法及机理可以推广到其他的材料体系，为体温发电及其可穿戴设备应用提供有意途径。