铋锶钴氧热电薄膜的外延生长及其相关特性研究

本项目采用脉冲激光沉积技术在单晶基片上制备铋锶钴氧热电薄膜，通过调节薄膜生长过程中的实验参数如基片温度、沉积氧压和激光能量密度等来获得高质量的外延薄膜。在此基础上，研究掺杂、薄膜晶粒粒度和纳米复合多层膜结构对薄膜热电性能的影响，通过对电子、声子特性的分别控制来获得理想的热电优值系数。同时，本项目亦会开展和铋锶钴氧外延薄膜相关的激光诱导电压效应和异质结整流特性的研究。关于新型氧化物热电材料铋锶钴氧外延薄膜的制备及其相关特性研究，目前国际上尚未报道，故该工作对探索和发展新一代氧化物热电薄膜材料及其器件具有指导意义。

利用脉冲激光沉积技术和化学溶液沉积技术在铝酸镧和氧化铝单晶基片上外延生长了铋锶钴氧薄膜。系统研究了氧压、温度、退火条件等实验参数对薄膜晶体结构、微结构及热电输运性能的影响规律及物理机制。在最佳实验条件下制备的高质量外延薄膜的室温和高温热电性能均可以和优质单晶样品相比拟，为研制铋锶钴氧基薄膜热电器件提供了基础；详细研究了掺杂、纳米复合及纳晶化对铋锶钴氧等层状钴氧化物薄膜微结构及热电输运性能的影响规律及物理机制。发现铅掺杂和纳米银复合均可以同时优化薄膜的功率因子和热导率而晶粒纳米化可以在不显著降低薄膜功率因子的同时大幅改善薄膜的热导率，获得了热电性能优异的薄膜样品；在 c 轴倾斜生长的铋锶钴氧等层状钴氧化物薄膜中观测到了光诱导的横向热电压效应并系统地研究了该电压信号的幅值和响应时间随薄膜厚度、 c轴倾斜角度、薄膜微结构、光吸收层及辐射光参量的变化关系，为研制新一代基于热效应的宽波段光探测器提供了依据；分别利用脉冲激光沉积技术和化学溶液沉积技术制备了铋锶钴氧和钙钴氧基p-n异质结并对其光和磁场调制下的变温电输运特性进行了系统地研究。结果显示两种技术制备的异质结在很宽的温度范围均表现出优良的二极管整流特性，其正向电压电输运特性分别可以用隧穿机制及和界面缺陷有关的空间电荷限制电流模型解释。以上结果共发表SCI文章16篇，获得国家授权发明专利3项、合作撰写英文专著1部。