《納米複合熱電薄膜的製備及其電聲輸運性質研究》是依託清華大學，由李亮亮擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：納米複合熱電薄膜的製備及其電聲輸運性質研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：李亮亮
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
半導體熱電薄膜在熱電微器件中發揮著不可替代的作用，製備具有高熱電優值係數ZT的薄膜材料是近年來科研人員廣泛關注的焦點。為此，本項目提出一個製備熱電薄膜的新思路，即在基體薄膜中引入納米顆粒第二相，構成具有兩相結構的納米複合熱電薄膜，從而利用納米複合結構提高熱電薄膜的ZT值。本項目將採用磁控濺射複合靶材的方法，在Bi2Te3基體薄膜中引入PbSnTe、Sb2Te3等不同種類的納米顆粒，研究基體-納米顆粒兩相複合熱電薄膜的生長過程以及對薄膜微觀結構的調控方法，探索納米顆粒第二相的形貌、種類、分布、與基體的界面狀態等因素對聲子散射、載流子濃度、遷移率等的影響機理，揭示納米複合結構與薄膜熱電性能之間的關係，為協同調控熱電薄膜的電、聲輸運性質提供理論和實驗依據。該項目的成功實施將開創一種新的薄膜熱電材料體系，有望製備出具有高ZT值的熱電薄膜，從而有力地促進熱電材料在微器件等領域的套用。
結題摘要
半導體熱電薄膜在微型熱電器件例如帕爾貼製冷器、紅外感測器、攜帶型電源等領域具有重要用途。與塊體材料相比，熱電薄膜的性能往往不好。為製備具有高熱電優值係數ZT的薄膜材料，國內外科研人員採用了多種途徑，開展了深入研究。本項目採用磁控濺射複合靶材的方法，製備了Pb-Bi2Te3納米晶薄膜和Zr-Ni-Sn非晶薄膜這兩類熱電薄膜材料，並對其微觀結構和電、聲輸運性質之間的關係進行了系統分析，取得了較好研究成果。（1）在新材料製備和分析方面，首先，按照研究計畫通過磁控濺射複合靶材製備了鉛（Pb）摻雜碲化鉍（Bi2Te3）納米晶熱電薄膜，研究了該薄膜的生長機理和內部反位缺陷形成過程，分析了鉛摻雜和退火對薄膜微結構、載流子濃度、遷移率等的影響，及其提高熱電性能的機理。在最佳化條件下該薄膜ZT值在473K達到0.94。然後，通過磁控濺射鋯鎳錫（Zr-Ni-Sn）靶材獲得了非晶Zr-Ni-Sn熱電薄膜，這是一種新的熱電薄膜材料體系。通過深入研究非晶結構對薄膜電、聲輸運性質的影響，發現該非晶薄膜的功率因子達到2.66 mWK-2m-1，熱導率為1.4-2.2 Wm-1K-1，因此該薄膜在熱電領域具有很好潛力。（2）在熱電薄膜性質表征方面，採用微區拉曼光譜技術測量出Bi2Te3薄膜熱導率，從而為熱電薄膜建立了一種新的熱導率測試方法。並且，發明了動態測試Seebeck係數的方法，該方法能夠在十餘分鐘內測量出薄膜Seebeck係數，而且與商業設備相比誤差小於8.4%，非常適合快速篩選熱電材料。這些都在熱電薄膜性能表征上實現了創新。（3）在理論計算方面，採用第一性原理方法和波爾茲曼輸運方程計算了含稀土元素鑭和鈰的碲化鉍合金的能帶結構、熱電性質以及低維氮化鎵材料熱導率，為解釋實驗現象、設計高性能熱電薄膜提供理論指導。在本項目執行過程中，項目負責人獨立指導了1名碩士研究生畢業，1名在讀，2名博士後出站。以通訊作者發表SCI論文4篇，目前總計SCI他引9次；修改後在審論文2篇，提交論文1篇；獲授權中國發明專利1項，很好地完成了項目目標。通過開展本項目，我們建立了一種新的非晶熱電薄膜體系，揭示了納米或非晶結構與薄膜熱電性能之間的關係，提出了通過改變材料微結構提高材料ZT值的方法，發展了熱電薄膜測試新技術，有力地促進了熱電薄膜材料在微器件等領域的套用。
