[發明專利]高結晶質量N型Ag摻雜PbTe基熱電薄膜的制備方法

在審

• 申請號: 201710177354.7
• 申請日: 2017-03-23
• 公開（公告）號: CN106887516A
• 公開（公告）日: 2017-06-23
• 發明（設計）人: 吳海飛;余亞東;徐珊瑚
• 申請（專利權）人: 紹興文理學院
• 主分類號: H01L35/34
• 分類號: H01L35/34;H01L35/14
• 代理公司: 北京華仲龍騰專利代理事務所(普通合伙)11548
• 代理人: 李靜

技術領域

本發明屬于熱電薄膜制造技術領域，具體涉及一種具有(2×2)重構表面的高結晶質量N型Ag摻雜PbTe基熱電薄膜的制備方法。

背景技術

隨著能源環境危機的日益加劇以及人們環境保護意識的逐漸增強，適應綠色環保主題的熱電材料引起研究者的濃厚興趣。PbTe作為典型的中溫區(300～900K)熱電發電材料，在微電子、光電子及許多高科技領域有廣泛的應用前景。目前，由于材料的能量轉換效率低下(小于10％)，其商業化的應用還只局限于少數尖端科技領域。若能提高能量轉換效率，PbTe基熱電材料可望大規模應用于廢熱、工業余熱、地熱、太陽能等低品位熱能發電，不僅可以解決石油、天然氣、煤等短缺帶來的能源危機，而且還可以緩解垃圾焚燒、汽車尾氣排放等導致的環境污染問題。

低維化和最優摻雜技術的發展為高性能熱電材料的研究開辟了新的途徑，低維熱電材料(如量子阱、量子點結構等)在電子和聲子傳輸中通過量子尺寸效應為熱電性能的大幅度改善提供了可能，摻雜能夠調整材料載流子濃度和降低晶格熱導率從而增加材料的熱電性能。近年來，研究發現基于PbTe薄膜材料的量子點(如PbSe/PbTe量子點)、量子阱(如PbTe/EuTe量子阱)等低維結構的生長極大地依賴于PbTe薄膜的質量和表面結構特性。目前，高質量的PbTe薄膜均在與之晶格失配和熱膨脹系數均較小的BaF₂襯底上外延生長，PbTe與BaF₂間存在的晶格失配(兩者的晶格常數分別為0.6200nm和0.6462nm)致使外延的PbTe薄膜均以繞螺位錯螺旋生長，存在較大的位錯密度，此外，各種雜質的摻雜均可不同程度地導致PbTe薄膜結晶質量的下降，這些因素不僅導致PbTe基熱電薄膜載流子的遷移率、電導率難以進一步提高，也給基于摻雜PbTe薄膜的量子點、量子阱的制備帶來了困難，致使低維高性能PbTe基熱電材料的制備面臨了極大的挑戰。

發明內容

針對上述問題，本發明提供一種具有(2×2)重構表面的高結晶質量N型Ag摻雜PbTe基熱電薄膜的制備方法，用Ag取代了Pb的位置，作為施主摻雜，提高了載流子濃度，并通過優化制備條件，Ag的加入，使PbTe薄膜的生長模式由繞螺位錯螺旋生長向層狀平鋪生長轉變，使薄膜的位錯密度大幅度降低，極大地提高了薄膜的表面平整度及結晶質量，可很好的解決摻雜導致的載流子遷移率、電導率低、薄膜結晶質量下降等問題。

為實現上述目的，本發明通過以下技術方案實現：

一種高結晶質量N型Ag摻雜PbTe基熱電薄膜的制備方法，包括以下步驟：

(1)對襯底進行清潔處理；

(2)在一定的襯底溫度下(350℃)，利用分子束外延法得到一定Ag摻雜量(不大于5％)的PbTe基熱電薄膜。

步驟(1)中，以BaF₂為襯底，在大氣下將襯底解理得到新鮮表面，再用純凈氮氣對解離表面進行吹洗，然后，將襯底放入進樣室以200℃烘烤40min(以去除吸附的水分子)，進樣室的本底真空度小于3×10^-7Torr；然后，將襯底轉移到生長室，繼續加熱到550℃保持10min，以對襯底進行進一步的清潔處理，其表面清潔程度可通過分子束外延設備配備的RHEED(反射高能電子衍射)來檢測。

步驟(2)利用分子束外延法制備Ag摻雜PbTe基熱電薄膜的過程中：分子束外延系統的生長室中配備PbTe、Te和Ag三個束源爐(純度均不小于99.999％)；各束源爐的束流通過溫度來調控(先將PbTe、Te和Ag三個束源爐分別在545℃、230℃和655～675℃下除氣2分鐘，再分別以540℃、225℃和650～670℃進行生長)；生長室的本底真空小于2.3×10^-9Torr；薄膜生長過程中控制襯底溫度為350℃，薄膜的生長速率為1.0μm/h，薄膜厚度為1.0μm。

本發明具有以下積極有益效果：

本發明解決了N型摻雜PbTe異質生長過程中的晶體質量比較差、載流子遷移率低、電導率低的問題，可應用于低維高性能PbTe基熱電材料的制備。

(1)本發明用Ag取代了Pb的位置，作為施主摻雜，提高了載流子濃度，并通過優化制備條件，Ag的加入，使PbTe薄膜的生長模式由繞螺位錯螺旋生長向層狀平鋪生長轉變(見圖2)，使薄膜的位錯密度大幅度降低，極大地提高了薄膜的表面平整度及結晶質量，可很好的解決摻雜導致的載流子遷移率、電導率低、薄膜結晶質量下降等問題。