《MnSi1.7薄膜的多尺度構建和電聲輸運研究》是依託鄭州大學，由胡俊華擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：MnSi1.7薄膜的多尺度構建和電聲輸運研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：胡俊華
- 依託單位：鄭州大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
金屬矽化物半導體以其低成本、無毒無污染、易回收、高穩定性諸多優點被稱為環境友好型半導體，其基礎物性和熱電特性受到廣泛關注。由於多相生長和自身晶體結構的複雜性，MnSi1.7薄膜的生長尺度範圍還很有限，對其帶隙值和帶隙類型的認識存在很大分歧，其熱電性能的研究也局限於有限的結構尺度範圍。本課題採用MnX2（X=Cl、Br、I）作為Mn源，通過等溫生長和非等溫生長兩種方式，達到對反應前沿Mn、Si成分的控制，在Si襯底上實現MnSi1.7薄膜從十幾納米到幾十微米的多尺度、單相、連續生長。通過研究不同結構尺度特徵下，薄膜的基礎電性能和熱電性能，建立起MnSi1.7帶隙值、帶隙類型與結構特徵的關係；利用不同結構特徵，增強聲子散射，協調電子/空穴-聲子的輸運；在多尺度結構特徵條件下，最佳化和提升薄膜的熱電性能（ZT），促進MnSi1.7在熱電器件等相關領域的套用。
結題摘要
以MnSi1.7薄膜生長中的多相反應為出發點，抑制MnSi的生長，獲得單項大尺度的MnSi1.7薄膜，為薄膜熱電套用打下基礎。以MnCl2為錳源，在其蒸汽中加熱矽基板，實現矽化物的外延生長。在500℃，初生相MnSi1.7以一定的低錯配晶面沿矽基板生長，並逐步形成連續的薄膜，厚度在25nm以下。繼續延長加熱的時間，MnSi相開始形成並逐步占主導地位，迅速生長到50-100nm，同時MnSi1.7相的生長受到抑制。提高加熱溫度到600℃，初生相為MnSi，而且成為單相薄膜，厚度可以生長到微米以上的範圍。多相反應的機制是動力學因素造成的。初生相Mn1.7生長成連續薄膜時候，反應前沿矽的擴散被抑制，形成了富Mn的反應前沿，MnSi的生長受到促進。而600℃高溫下單相MnSi的生成是Mn/Si競爭性擴散的結果。多相反應機理的探討為獲得單相生長提供動力學控制方法。1、尺寸效應。由於初始HMS相局限於50nm以下的尺度範圍。採用納米50納米矽粉作為初始的反應物，當MnSi開始出現，反應已經完全。獲得了MnSi1.7相的單相粉末和燒結塊體。並測試了其熱電性能。2、利用競爭性擴散。在900℃以上的溫度區間，獲得微米厚度的MnSi1.7相薄膜，對於Mn、Si的競爭性擴散，隨著溫度的增加（500-1000℃）會出現出現交替占主導的趨勢。同時發現，反應在接觸模式下，會發生逆反應並造成表面粗化。3、採用非接觸等溫加熱的方法，提高薄膜的質量。將Mn源和基板分別加熱和控制溫度，獲得單相、緻密、平整的MnSi1.7相薄膜。4、引入SiO2 capping layer。在矽基板表面有意引入一層氧化矽的過渡層，對於單相MnSi1.7相的形成有促進作用。過渡層作用就是抑制Si的向外擴散，抑制了MnSi的形成。矽襯底表面形成了HMS層，獲得了亞微米厚度的單相薄膜。由於擴散被抑制，生長速率較慢。通過以上機制，實現了MnSi1.7相薄膜生長厚度從小於30nm生長到10微米的範圍。對應的禁頻寬度為直接帶隙0.7eV。還對其他的金屬矽化物進行了研究：1、高光吸收係數的Mg2Si，提出了用PIN結構的矽化物太陽能電池，申請了國家發明專利。2、通過與日本Shizuoka University合作，將這種方法套用到CrSi2納米結構的生長中。3、對強玻璃化轉變能力的Zr-Si薄膜進行了研究，有望套用於核電防護領域。
