Si纳米线热电性能研究

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热电材料基于塞贝克和帕尔贴效应可直接进行热能和电能的转换,无噪声,无污染,具有广泛的应用前景。理论以及实验证明,一维结构的硅(Si)纳米线相比于体Si结构具有更高的塞贝克系数以及更低的热导率,其热电优值是体Si的数倍。而且因Si材料价格便宜,与CMOS工艺兼容,便于加工,是具有潜力的热电材料。本文详细研究了基于浓硼硅层制备悬空Si纳米线工艺方法,Si纳米线热电测试器件的制备工艺,并分析了Si纳米线的热电性能。  基于浓硼Si层制备了高质量的Si纳米线。采用两步扩散法制备了厚度约700 nm的浓硼Si扩散层。利用电子束光刻以及感应耦合等离子(ICP)刻蚀,制备了一系列长1~10μm,宽约100 nm的Si纳米墙。进一步利用四甲基氢氧化铵(TMAH)释放了Si纳米线。制备的Si纳米线形貌规则,尺度可控,一致性较好,为制备硅(Si)纳米线热电性能测试器件打下了工艺基础。  设计并制备了Si纳米线的测试器件,其中Si纳米线宽度为150~500nm、高度为700nm、长度为7.6μm。详细描述了制备Si纳米线热电性能测试器件的工艺流程并分析了流片中需要注意的关键问题,如SiO2上开窗口时采用干法刻蚀可以避免横向腐蚀,多点电子束套刻可以提高套刻精度,增加粘附层可以避免金属线脱落等。  测试并分析了Si纳米线(长7.66μm,宽408 nm,高685 nm)的热电性能。采用四线法测试了Si纳米线的电导率,约为1.3×10-3Ω·cm,对应的掺杂浓度为8.92×1019cm-3。介绍了塞贝克系数测试方法,并测得其塞贝克系数为69.118μV/k,约为文献中同掺杂程度Si纳米线塞贝克系数的60~70%。介绍了热导率的测试方法和系统配置,并对Si纳米线的热导率进行了测试,得到的热导率相对于体Si热导率降低了约3.46倍。计算了室温下Si纳米线的热电优值,为2.48×10-3,比同掺杂程度的体Si热电优值略小。
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