《大幅度提高納米尺寸MnSi1.7的熱電功率因子》是依託清華大學，由侯清潤擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：大幅度提高納米尺寸MnSi1.7的熱電功率因子
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：侯清潤
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目結合國家在清潔能源方面的重大需求，就目前迫切需要解決的如何大幅度提高納米尺寸半導體熱電功率因子的關鍵科技問題開展研究工作。本工作以納米尺寸半導體MnSi1.7 為研究對象，利用電子束蒸發鍍膜機或磁控濺射鍍膜機, 製備厚度在14 - 40 納米左右的MnSi1.7、FeSi2、 Si三種半導體薄膜，其中MnSi1.7 用來做量子阱層，FeSi2 和Si 用來做勢壘層。首先製備出具有奇異熱電效應的納米尺寸半導薄膜，然後再將它們形成勢壘層 - 量子阱層 - 勢壘層這樣一個三層薄膜結構。 把調製摻雜技術（只摻雜勢壘層）、 室溫下N型納米尺寸FeSi2 的聲子拽引效應、 N型納米尺寸MnSi1.7 的量子尺寸效應集成於該三層薄膜結構，在其共同作用下，大幅度提高納米尺寸MnSi1.7 的熱電功率因子。
結題摘要
利用廢棄的熱量，通過熱電材料的溫差發電原理髮電，是國家急需發展的清潔能源之一。近十幾年來，人們發現納米熱電材料的熱導率很低，可以提高材料的熱電性能。最近幾年，人們認識到，要想進一步提高材料的熱電性能，就必須大幅度提高納米熱電材料的熱電功率因子（PF = SxS/R），即材料既要有很大的塞貝克係數 (S)，又要有很低的電阻率 (R)。對於傳統的半導體熱電材料，我們要實現它從理論上來說是很困難的。本工作在國家自然科學基金的支持下，以納米尺寸的高錳-矽化合物（HMS，MnSi1.73）為研究對象，成功製備出P型 (Si / MnSi1.73 / Si) 納米尺寸的三層薄膜材料。通過採用調製摻雜技術，即只把雜質（B， Al， Cu）摻入矽中，特別是摻入深能級雜質（Cu），可使材料的塞貝克係數增大，而電阻率減小，從而達到大幅度提高熱電功率因子的目的。在 733 K 溫度下，熱電功率因子達到 3.140 x 10-3 W/m.K2, 超過了我們在申請基金時設定的目標：2.40 x 10-3 W/m.K2（日本科學家2000年報導的結果）。採用 MnSi2 和Si:B (1 at.%)共濺射的方法, 製備出 (MnSi1.73 + Si) 納米複合薄膜材料，材料的電阻率下降，而塞貝克係數在高溫時基本保持不變或略有增大。發展了一種分層鍍 MnSi1.73 的方法，可以實現在提高材料的塞貝克係數的同時降低材料的電阻率。這些方法對提高其它熱電材料的熱電性能有一定的參考價值。在提高N型 MnSi1.73 材料的熱電功率因子方面，由於我們沒有製備出N型 Si 材料而受挫。加入少量N型 Fe0.95Co0.05Si2, 雖然可以降低材料的電阻率，在高溫（583 K 以上）時能增大塞貝克係數，但熱電功率因子提高的幅度有限，沒有完成預定目標: 39 x 10-3 W/m.K2 (本課題組2008年報導的結果)。
