AG-Se基化合物及其薄膜热电性能研究

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热电材料作为一种潜力的新型能源材料,在微电子技术、生物工程和深空探测等领域具有重要的应用前景。最近,H.L.Liu等人发现Cu2-yX(X=S,Se)具有极低的热导率及优秀的电输运性能,并提出“声子液体-电子晶体”的概念。Cu2Se异常优异的热电性能引起了人们对铜基化合物及其衍生物的广泛关注。其中,Ag2Se和CuAgSe作为新型的热电材料,具有很大的发展潜力。Ag2Se和CuAgSe都具有很大的迁移率,较高的电导率(105 S/m)以及适中的Seebeck系数,且晶格热导率较低,符合“声子液体-电子晶体”概念。与Bi2Te3类似,该两种材料拥有较窄的禁带宽度,室温下,Ag2Se热电优值接近于1,CuAgSe在450 K时能够达到0.6。因此这两种材料可以作为理想的室温热电薄膜材料进行应用,但热电薄膜的系统研究未见报道。本论文以Ag2Se和CuAgSe为研究对象,利用脉冲激光沉积技术,研究薄膜的制备工艺及其热电性能,此外,还研究了Te固溶对Ag2Se热电性能的影响。主要取得以下成果:  1.在LSAT(001)单晶和玻璃衬底上,利用脉冲激光沉积技术成功地在相对较低的温度(100℃)时生长了Ag2Se薄膜。通过调节沉积气压(Ar)和激光诱导的等离子体相互作用,从而改变到达衬底的等离子体的动能和组分,发现最佳的沉积气压为10 Pa,这时候会形成等离子冲击波膨胀,有利于保持原始Ag/Se的比例。最佳沉积条件下生长的Ag2Se薄膜显示出与Ag2Se块体材料可比的电输运性能。  2.利用脉冲激光沉积技术在玻璃和LSAT单晶衬底上制备了CuAgSe薄膜,通过调节制备工艺,分析沉积气压和温度等参数对薄膜的物相、结构及电学性能的影响。在玻璃衬底上,沉积气压为10 Pa时,获得了较纯的CuAgSe薄膜,且其电学性能与块体材料的变化趋势一致。  3.研究了Te固溶Ag2Se及其热电性能的影响。首先通过高温熔融-退火工艺制备了系列Ag2Se1-xTex(x<0.1)固溶体样品。结合XRD结果推测Te进入Ag2Se晶格位置,引起晶格畸变,增加晶格散射,从而降低晶格热导率,但是由于载流子浓度的升高,导致室温热导率并没有降低。由于Ag2Se1-xTex样品的综合电学性能有所降低,最终固溶后的材料的热电性能并没有提升。然后在此基础上研究了大Te(0.1≤x≤0.5)固溶量对其热电性能的影响。大量Te固溶的样品,材料的导电类型并没有发生改变,但是电导率以及Seebeck系数均与少量固溶样品的变化趋势相反。材料的热导率也随着Te含量的增加,由随温度逐渐增加转化为随温度逐渐下降。这表明通过大量Te的固溶,在样品中产生大量的点缺陷和晶格畸变,可以有效散射声子,使热导率降低。
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