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异质结构热电薄膜可控制备与性能优化
作者: irglass 时间: 2022-06-07 浏览:276 次

       热电材料能够实现电能和热能的直接相互转换,被认为是新兴的绿色能源技术领域的重要组成部分,可广泛应用于微型化的集成电子产品如可穿戴电子器件、医疗植入设备、未来通讯、物联网芯片传感器等。热电器件的性能取决于热电材料的本征特性,即高的塞贝克系数S(较大的温差电动势)、高的电导率σ(减少焦耳热损耗)和低的热导率κ(扩大温差)。然而,传统的热电材料往往不能独立地调控σSκ,彼此间强烈的耦合关系直接制约了热电性能的提升。

       近日,我室热电小组硕士研究生陈颖琦(第一作者)、王国祥副研究员(通讯作者)联合德国莱布尼茨表面改性研究所Andriy Lotnyk教授(通讯作者)在国际著名学术期刊Scripta Materialia上发表题为“Double-layered GeTe/Sb2Te heterostructures for enhancing thermoelectric performance”的论文(218(2022)114848, https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114848)。在这项工作中,介绍了一种由Sb2Te和GeTe构成的双层异质结热电薄膜,发现其阶跃式相变特性能够大幅度提升热电性能。通过研究其加热过程中的结晶行为,发现该异质结薄膜存在两步结晶过程,在423K时析出第一相GeSb2Te4,593K时析出第二相GeTe。其动态相变过程中的阶跃突变特性,导致异常高的电导,实现了阶跃相变特性调控电输运行为。

       随后利用先进的扫描透射电子显微镜发现,加热过程中,非晶双层异质结构在热致扩散过程中出现了层间化学键合的现象,揭示GeSb2Te4和GeTe两步析出微观本质。同时诱发了GeSb2Te4/GeTe界面处产生了能量过滤效应,导致了塞贝克系数大幅度增加,获得了较高的功率因子(500K时413μW/mK2)。另外,异质结构中晶界的引入有助于声子散射,导致较低的热导率(在500K时仅为0.24W/mK),ZT值达到0.8以上。

   此外,该热电小组今年还研发了ZnSb-Bi2Te3伪二元复合热电材料(Ceramics International 48 (2022) 4539–4544,https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.10.239),通过将p型室温热电材料ZnSb与n型拓扑绝缘体Bi2Te3在纳米尺度下复合,表现出了n型传输特性。

   通过调整GeTe/Sb2Te3的界面数、周期厚度及厚度比,可控制备了多周期热电薄膜(Ceramics International, 48 (2022) 22548–22553. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.04.195),通过研究其阶跃相变过程中电导态的突变改善载流子在层间的迁移,利用复合后多重异质界面过滤低能电子提高Seebeck系数,解耦电导与Seebeck系数本征矛盾,揭示临界相变助力功率因子反常升高的物理本质。

图1 GeTe/Sb2Te异质结薄膜的 (a) 载流子浓度和迁移率, (b) 电导率, (c) 塞贝克系数, (d) 功率因数随温度的变化关系,和(e) (GeTe)80nm/(Sb2Te)100nm 样品的热导率和ZT值随温度的变化关系

图2 (GeTe)80nm/(Sb2Te)100nm在400K下加热的微观结构表征:(a)BF-TEM图,(b)界面处的HRTEM图,(c,d)(b)中选择的GeSb2Te4晶体的HRTEM图,和(e)选区电子衍射(SAED)图。(GeTe)80nm/(Sb2Te)100nm在500K下加热的微观结构表征::(f)靠近Si衬底的下层的HRTEM图像,其中图像顶部的插图显示了所选黄色区域的HRTEM图,底部的插图显示了SAED图像。(g) GeSb2Te4/GeTe界面的HRTEM图像,图像顶部的插图显示所选绿色区域的放大HRTEM。

3 (GeTe)80nm/(Sb2Te)100nm在600K下加热的微观结构表征:(a)界面处的HRTEM图像,其中图像顶部的插图是所选白色区域的HRTEM图;(b)(a)中所选黄色区域的HRTEM图;(c)BF-TEM图像;(d-f)原沉积薄膜的EDX图;以及(g-i)加热到600K的薄膜EDX图。