[發(fā)明專利]一種具有高載流子濃度的SnSe晶體及其生長(zhǎng)方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910444904.6
• 申請(qǐng)日: 2019-05-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110129878B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姚淑華;張航飛;呂洋洋;曹琳;陳延彬;陳延峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號(hào): C30B9/12
• 分類號(hào): C30B9/12;C30B29/46;H01L35/16
• 代理公司: 北京知元同創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11535
• 代理人: 汪泉

本發(fā)明公開(kāi)了一種具有高載流子濃度的SnSe晶體及其制備方法和應(yīng)用。所述SnSe晶體采用助溶劑法生長(zhǎng)，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低廉，晶體生長(zhǎng)周期較短，有利于工業(yè)化生產(chǎn)，且發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，采用NaCl作為助熔劑進(jìn)行SnSe晶體生長(zhǎng)，極大提升了SnSe晶體材料的電學(xué)性能。本發(fā)明僅需使用SnSe純凈粉體原料(Sn和Se按照化學(xué)計(jì)量比配料)，無(wú)需刻意摻雜其他元素或者非化學(xué)計(jì)量比配料，所得到的晶體即可自摻雜一定量的SnSe₂，且載流子濃度在2K～300K范圍內(nèi)都是10¹⁹/cm³量級(jí)，具有優(yōu)良的SnSe材料的電學(xué)性能，可有效地拓寬SnSe材料的高ZT值窗口，在熱電應(yīng)用方面具有重要意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于熱電材料與晶體生長(zhǎng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有高載流子濃度的SnSe晶體及其生長(zhǎng)方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

熱電材料(Thermoelectric material)是一種可以實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)化的材料，而能量轉(zhuǎn)換效率一般由無(wú)量綱的ZT值表征，表達(dá)式為：

其中S表示seebeck系數(shù)，σ表示電導(dǎo)率，κ_l表示晶格熱導(dǎo)率，κ_e表示電子熱導(dǎo)率，T表示熱力學(xué)溫度。近年來(lái)，提高熱電材料的ZT值成為熱電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是難點(diǎn)，因?yàn)镾，σ，κ(κ_l+κ_e)三個(gè)物理量之間存在著內(nèi)在的相互制約，例如提高材料的σ，一般會(huì)降低S、提高κ。所以，尋找本征熱導(dǎo)率低并且導(dǎo)電性能優(yōu)越的材料和通過(guò)能帶工程、聲子調(diào)控等手段提升材料的熱電性能是目前最主要的研究策略。

本發(fā)明中所涉及的SnSe晶體是一種二維層狀材料，室溫下晶體結(jié)構(gòu)屬于正交晶系，空間群為Pnma，約在475～525℃溫度下發(fā)生結(jié)構(gòu)相變，晶體結(jié)構(gòu)由正交晶系轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄担臻g群由Pnma轉(zhuǎn)變?yōu)镃mcm。之前對(duì)于SnSe的研究主要集中在光電效應(yīng)領(lǐng)域，直到研究發(fā)現(xiàn)該材料單晶在約923K下沿b軸方向ZT值可達(dá)2.6，這是目前最高的ZT值記錄，并且發(fā)現(xiàn)其優(yōu)秀的熱電性能主要來(lái)源于本征的超低熱導(dǎo)率(L.-D.Zhao,S.-H.Lo,Y.Zhang,H.Sun,G.Tan,C.Uher,C.Wolverton,V.P.Dravid,and M.G.Kanatzidis,Nature 508,373–377(2014))。然而SnSe的電學(xué)性能在熱電材料中并無(wú)顯著優(yōu)勢(shì)，在低溫相時(shí)載流子濃度一般為10¹⁷/cm³，在高溫相變后電學(xué)性能才會(huì)發(fā)生明顯提升，進(jìn)而推升功率系數(shù)，這就導(dǎo)致了SnSe高ZT值溫度窗口窄，主要集中在850K～950K之間，而低溫相的ZT值都在0.5以下，大大限制了SnSe材料的實(shí)際應(yīng)用。

上述的一系列研究表明，若擴(kuò)寬SnSe材料的高ZT值溫度窗口，需要提升它在低溫下的電學(xué)性能。最近，很多研究都致力于提升SnSe晶體在低溫下的電輸運(yùn)，材料學(xué)家趙立東使用Na摻雜實(shí)現(xiàn)SnSe晶體的空穴摻雜，使300K電導(dǎo)率從～12S/cm提升至1500S/cm，大大提升了SnSe晶體的使用窗口(L.-D.Zhao,G.Tan,S.Hao,J.He,Y.Pei,H.Chi,H.Wang,S.Gong,H.Xu,V.P.Dravid,C.Uher,G.J.Snyder,C.Wolverton,and M.G.Kanatzidis,Science 351,141-144(2016))，然而，需要更加有效、操作簡(jiǎn)單、可控的SnSe晶體的生長(zhǎng)方法來(lái)得到具有優(yōu)良電學(xué)性能的SnSe晶體材料，從而拓寬SnSe材料的應(yīng)用價(jià)值。。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種具有高載流子濃度的SnSe晶體，所述晶體的導(dǎo)電性能呈金屬特性，在2K～300K溫度下，所述晶體的載流子濃度在10¹⁹/cm³量級(jí)，優(yōu)選2.75×10¹⁹～2.88×10¹⁹/cm³，所述晶體的電阻率低于2.5mΩ·cm，優(yōu)選為約0.37～2.22mΩ·cm。