[發(fā)明專利]一種摻雜鈦酸鍶氧化物熱電薄膜的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611195895.4
• 申請日: 2016-12-22
• 公開（公告）號: CN106784279B
• 公開（公告）日: 2019-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳吉堃;陳立東;史迅;姜勇;仇鵬飛;張?zhí)焖?/a>;陳宏毅;郝峰;江彬彬;李宇龍
• 申請（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué);中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: H01L35/14
• 分類號: H01L35/14;H01L35/34
• 代理公司: 北京市廣友專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 11237
• 代理人: 張仲波

一種制備高性能摻雜型鈦酸鍶鈣鈦礦氧化物熱電薄膜的方法。本發(fā)明通過控制等離子體性質(zhì)以及襯底條件，實現(xiàn)摻雜型鈦酸鍶薄膜材料在與之晶格體結(jié)構(gòu)相同且參數(shù)失配的氧化物單晶襯底表面的外延共格生長，并產(chǎn)生界面應(yīng)力場。通過薄膜材料中的應(yīng)力場與材料晶格畸變程度調(diào)節(jié)薄膜材料晶體結(jié)構(gòu)性質(zhì)、電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)、極化特性、以及薄膜與襯底間界面性質(zhì)，從而實現(xiàn)對材料電導(dǎo)率與賽貝克系數(shù)等熱電傳輸性能的大幅同時提高。所制備的摻雜型鈦酸鍶薄膜材料的室溫?zé)犭姽β室蜃釉?0?10000μW/(cm*K²)。本方法所制備的高性能摻雜型鈦酸鍶薄膜材料可以進一步應(yīng)用于熱電器件的設(shè)計與制備，從而大幅提高所制備熱電器件在實現(xiàn)溫差發(fā)電、制冷、溫度傳感等功能時的熱能電能轉(zhuǎn)換效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于熱電轉(zhuǎn)化材料與器件以及薄膜材料生長領(lǐng)域，具體地涉及一種摻雜鈦酸鍶鈣鈦礦氧化物熱電薄膜的制備方法。

背景技術(shù)

熱電材料與器件可以通過賽貝克效應(yīng)與帕爾貼效應(yīng)實現(xiàn)熱能與電能在全固態(tài)條件下的相互轉(zhuǎn)換，近年來人們對熱電材料的研究興趣主要集中在以下兩個方面：1)對新型熱電化合物材料體系【NPG Asia Mater.,2015,7,e210,Adv.Mater.,2015,27,3639,Nature,2014,508,373】以及新型合成方法的不斷探索【Nature Communications,2014,5,4908】；2)通過微結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用尺度、維度效應(yīng)提高現(xiàn)有熱電材料的性能【Adv.EnergyMater.2015,5,1500411,Adv.Funct.Mater.2013,23,4317】。生長熱電薄膜材料是實現(xiàn)材料微結(jié)構(gòu)的精確設(shè)計并降低材料維度的有效途徑【Nature,2001,413,597；Science,2002,297,2229；Nature Nanotech.,2009,4,235；Chem.Mater.,2014,26,6518；Nature Mater.,2007,6,129；Chem.Mater.2015,27,2165；Chem.Mater.2014,26,2726；Nature Mater.,2015,14,622】，也是制備熱電微器件的重要基礎(chǔ)步驟【Appl.Phys.Lett.,2014,104,231907；J.Mater.Chem.C,2015,3,10362】，因而有關(guān)高性能熱電薄膜生長的研究近年來備受關(guān)注。從材料角度出發(fā)，熱電材料的性能主要由熱電優(yōu)值衡量：ZT＝S²σT/κ(S：賽貝克系數(shù)，σ：電導(dǎo)率；κ：熱導(dǎo)率；T：絕對溫度)。對于傳統(tǒng)三維塊體熱電材料，隨著載流子濃度(n)的增加，σ增大而S減小，因而當(dāng)通過摻雜手段優(yōu)化熱電材料載流子濃度后，難以繼續(xù)優(yōu)化傳統(tǒng)熱電材料的功率因子(PF＝S²σ)【Nature,2001,413,597；Science,2002,297,2229】。與傳統(tǒng)三維塊體熱電材料相比，熱電薄膜材料可通過材料維度的降低并結(jié)合精確設(shè)計的尺度結(jié)構(gòu)與界面效應(yīng)，增大材料費米能級附近的態(tài)密度。這為實現(xiàn)σ與S的相對獨立變化，即在載流子濃度不變情況下，進一步提高材料的賽貝克系數(shù)提供了可能【Nature,2001,413,597；Science,2002,297,2229；Nature Nanotech.,2009,4,235；Chem.Mater.,2014,26,6518】。與此同時，利用納米尺度效應(yīng)對聲子的散射，可以降低材料的晶格熱導(dǎo)率，從而實現(xiàn)對ZT的進一步提高【Science,2002,297,2229】。此外，通過制備超晶格結(jié)構(gòu)引入二維電子氣也為調(diào)節(jié)能帶結(jié)構(gòu)及優(yōu)化電傳輸性能提供了進一步可能【Nature Mater.,2007,6,129】。從器件角度出發(fā)，以熱電薄、厚膜的材料制備為基礎(chǔ)，通過光刻(Lithography)、脈沖激光誘導(dǎo)向前傳輸(Laser Induced Forward Transfer)等技術(shù)制備的熱電微器件相比傳統(tǒng)熱電器件可大大減小器件尺寸，并可實現(xiàn)高度集成【Appl.Phys.Lett.,2014,104,231907；J.Mater.Chem.C,2015,3,10362】。所制備的高性能熱電微器件能夠在毫米至微米尺度內(nèi)實現(xiàn)熱能與電能的相互轉(zhuǎn)換，在生物體表溫差電源、微型制冷器件、溫度傳感器、溫度探測器等方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景【J.Mater.Chem.C,2015,3,10362】。因此，制備高性能熱電薄膜材料具有重要的學(xué)術(shù)意義，與重大的實際應(yīng)用價值。