Bi2Te3基薄膜的IA-IIIA族元素共掺杂及其微结构协同调控与热电性能研究

采用闪蒸发沉积IA-IIIA族元素共掺杂Bi2Te3基薄膜，通过优化沉积工艺、反射高能电子衍射和退火处理相结合对薄膜的微观结构进行可控制备，从而获得共掺杂Bi2Te3基热电薄膜。通过XRD、FESEM和EBSD研究IA-IIIA族共掺杂对Bi2Te3基薄膜的晶体结构、晶粒尺寸、晶体形貌和晶粒取向的影响，揭示共掺杂对Bi2Te3基薄膜微结构的影响规律；基于Hall系数、载流子浓度及迁移率、电导率和塞贝克系数的测试分析，探明IA-IIIA族共掺杂对Bi2Te3基薄膜电输运性能的影响规律。 本项目研究IA-IIIA族元素共掺杂对Bi2Te3基薄膜微结构和电输运性能的影响机理，并结合薄膜的微结构进行协同调控，为高性能热电材料的研究提供理论依据，这在国内外都是一项非常有意义的探索和创新，对发展热电薄膜的低成本、高质量可控制备，丰富Bi2Te3基薄膜的理论基础都具有重要的学术研究价值和广阔的应用前景。

Bi2Te3基热电材料是室温附近性能最优越的热电制冷材料，在微电子和其他高新技术领域有潜在的应用前景。本项目采用真空熔炼和热压烧结技术制备了IA-IIIA 族元素共掺杂Bi2Te3基块体热电材料。分别研究了K/Al , Ga/K, K/Ga, Na/Ga, Ga/Na等双掺杂对P型Bi0.5Sb1.5Te3和N型Bi2Te2.7Se0.3热电传输性能的影响。K0.04Bi1.92Al0.04Te2.7Se0.3合金提高了材料的Seebeck系数，K0.04Bi1.88Al0.08Te2.7Se0.3和K0.04Bi1.84Al0.12Te2.7Se0.3大幅度提高了材料的电导率，通过K和Al部分替代Bi，使材料的热导率有不同程度地减小，在300-500K温度范围内，K和Al共掺杂均较大幅度地提高了Bi2Te2.7Se0.3的热电优值。Ga和K双掺杂可使Bi0.5Sb1.5Te3 在室温附近的Seebeck 系数有一定的提高，而双掺杂样品的电导率均得到了不同程度的提高，其中Ga0.02Bi0.5Sb1.42K0.06Te3 样品的电导率得到较明显的改善，该样品在300 K 时ZT 值达到1.5。通过Ga和K部分替代Bi双掺杂对提高Bi2Te2.7Se0.3 的Seebeck 系数产生了积极的作用, 同时双掺杂样品的电导率也得到明显的提高。Ga和K双掺杂样品的热导率都大于未掺杂的，在500K获得最大ZT值为1.05。共掺杂使样品的载流子浓度增加，从而有效地提高了材料的电导率。所有共掺杂样品的热导率都大于Bi0.5Sb1.5Te3的热导率，在Na掺杂浓度不变的情况下，随着Ga掺杂浓度的增加，热导率逐步增加， Na0.04Bi0.5Sb1.46-xGaxTe3(x=0.12)样品具有高电导率的同时，Seebeck系数和热导率的损失不是很大，材料的热电性能得到了改善，在300-475K测量温度范围内的热电性能优值与Bi0.5Sb1.5Te3相比较均有所提高，325K时的最大ZT值为1.4。当Na掺杂浓度为0.04时，随着Ga掺杂浓度的增加，热导率呈现出递增的现象，Na和Ga共掺杂样品Na0.04Bi1.96-xGaxTe2.7Se0.3(x=0.04)的热电优值获得了较明显地提高，在398K时的最大ZT值为0.75。