高性能Bi2Te3–xSex 熱電薄膜的可控生長*

陳赟斐 魏鋒 王赫 趙未昀? 鄧元2)?

1) (北京航空航天大學杭州創新研究院, 杭州 310052)

2) (北京航空航天大學, 前沿科學技術創新研究院, 北京 100083)

(2021 年6 月8 日收到; 2021 年7 月2 日收到修改稿)

1 引 言

熱電材料可以將熱能直接轉換為電能, 因此在能源領域有重要應用潛力, 并吸引了大量科學研究. 基于熱電材料的熱電器件可利用太陽熱能、體熱、地熱、廢熱等以熱能形式存在的能量發電[1-4],而其能量轉換性能通常可用無量綱的熱電優值ZT表征,

式中,S為Seebeck 系數,σ為電導率,T為絕對溫度,κ為熱導率. 因此, 通常提升熱電材料性能的手段主要分為兩種, 即提升功率因子 PF=S2σ或降低熱導率κ.

近年來, 研究人員在發展與優化如SnTe, Bi2Te3,PbTe 等各種熱電材料中取得了大量進展[5]. 這些熱電材料中室溫性能最佳的多為Bi2Te3基合金,此類合金材料也是現有熱電發電、制冷器件中的主流材料. 例如P 型Bi0.5Sb1.5Te3可擁有高達40 μW/(cm·K2)的功率因子, 而N 型Bi2Te3–xSex材料功率因子也可達到30 μW/(cm·K2)以上[6-9]. 然而隨著微型發電器件市場的增長, 基于塊材熱電材料的器件在小型化方面遇到了嚴峻挑戰[3,10]. 塊狀熱電材料一般厚度較大, 難以應用于微型或柔性電子、熱電器件, 為克服這一困難, 許多研究者轉而發展Bi2Te3基薄膜熱電材料, 推動了這一領域的發展壯大. 提升薄膜熱電材料性能的關鍵在于優化合金組分與微觀結構. 一方面, 合理的合金元素組分可用于調控載流子濃度和電子能帶結構, 從而提升材料Seebeck 系數[11]; 另一方面, 由于Bi2Te3基材料的各向異性, 沿特定取向生……