纳米复合热电薄膜的制备及其电声输运性质研究

半导体热电薄膜在热电微器件中发挥着不可替代的作用，制备具有高热电优值系数ZT的薄膜材料是近年来科研人员广泛关注的焦点。为此，本项目提出一个制备热电薄膜的新思路，即在基体薄膜中引入纳米颗粒第二相，构成具有两相结构的纳米复合热电薄膜，从而利用纳米复合结构提高热电薄膜的ZT值。本项目将采用磁控溅射复合靶材的方法，在Bi2Te3基体薄膜中引入PbSnTe、Sb2Te3等不同种类的纳米颗粒，研究"基体-纳米颗粒"两相复合热电薄膜的生长过程以及对薄膜微观结构的调控方法，探索纳米颗粒第二相的形貌、种类、分布、与基体的界面状态等因素对声子散射、载流子浓度、迁移率等的影响机理，揭示纳米复合结构与薄膜热电性能之间的关系，为协同调控热电薄膜的电、声输运性质提供理论和实验依据。该项目的成功实施将开创一种新的薄膜热电材料体系，有望制备出具有高ZT值的热电薄膜，从而有力地促进热电材料在微器件等领域的应用。

半导体热电薄膜在微型热电器件例如帕尔贴制冷器、红外传感器、便携式电源等领域具有重要用途。与块体材料相比，热电薄膜的性能往往不好。为制备具有高热电优值系数ZT的薄膜材料，国内外科研人员采用了多种途径，开展了深入研究。本项目采用磁控溅射复合靶材的方法，制备了Pb-Bi2Te3纳米晶薄膜和Zr-Ni-Sn非晶薄膜这两类热电薄膜材料，并对其微观结构和电、声输运性质之间的关系进行了系统分析，取得了较好研究成果。（1）在新材料制备和分析方面，首先，按照研究计划通过磁控溅射复合靶材制备了铅（Pb）掺杂碲化铋（Bi2Te3）纳米晶热电薄膜，研究了该薄膜的生长机理和内部反位缺陷形成过程，分析了铅掺杂和退火对薄膜微结构、载流子浓度、迁移率等的影响，及其提高热电性能的机理。在优化条件下该薄膜ZT值在473K达到0.94。然后，通过磁控溅射锆镍锡（Zr-Ni-Sn）靶材获得了非晶Zr-Ni-Sn热电薄膜，这是一种新的热电薄膜材料体系。通过深入研究非晶结构对薄膜电、声输运性质的影响，发现该非晶薄膜的功率因子达到2.66 mWK-2m-1，热导率为1.4-2.2 Wm-1K-1，因此该薄膜在热电领域具有很好潜力。（2）在热电薄膜性质表征方面，采用微区拉曼光谱技术测量出Bi2Te3薄膜热导率，从而为热电薄膜建立了一种新的热导率测试方法。并且，发明了动态测试Seebeck系数的方法，该方法能够在十余分钟内测量出薄膜Seebeck系数，而且与商业设备相比误差小于8.4%，非常适合快速筛选热电材料。这些都在热电薄膜性能表征上实现了创新。（3）在理论计算方面，采用第一性原理方法和波尔兹曼输运方程计算了含稀土元素镧和铈的碲化铋合金的能带结构、热电性质以及低维氮化镓材料热导率，为解释实验现象、设计高性能热电薄膜提供理论指导。在本项目执行过程中，项目负责人独立指导了1名硕士研究生毕业，1名在读，2名博士后出站。以通讯作者发表SCI论文4篇，目前共计SCI他引9次；修改后在审论文2篇，提交论文1篇；获授权中国发明专利1项，很好地完成了项目目标。通过开展本项目，我们建立了一种新的非晶热电薄膜体系，揭示了纳米或非晶结构与薄膜热电性能之间的关系，提出了通过改变材料微结构提高材料ZT值的方法，发展了热电薄膜测试新技术，有力地促进了热电薄膜材料在微器件等领域的应用。