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各向異性對高取向Bi2Te3電沉積薄膜熱電性能的影響

更新時間:2019-11-28點擊次數:3195

【引言】

    由于開發替代能源的必要性,相比于那些依賴化石燃料的能源,熱電材料已經引起了人們的極大關注。Bi2Te3基合金就是一種熱電材料,非常適合在室溫至100℃的溫度范圍內工作。Antonova等人的工作中,強調了平行和垂直于C軸的單晶體碲化鉍的室溫各向異性熱電性能。因此,可以利用Bi2Te3薄膜的各向異性特性來獲得大性能。

【成果介紹】

Cristina V. Manzano等人采用脈沖電沉積法,制備了沿[110]晶相的高取向Bi2Te3薄膜。對這些薄膜的結構、組成和形貌進行了表征。通過使用商用LSR-3 Linseis系統測量塞貝克系數、各方向的電導率和熱導率,確定了平行和垂直于襯底表面的熱電性能品質因數(zT)。在300K時,Bi2Te3薄膜的面內和面外品質因數分別為(5.6±1.2)·10-2和(10.4±2.6)·10-2

【圖文導讀】

圖1:(A)Bi2Te3的晶體結構。(B)在本工作中測量的電沉積膜的方向。

 

圖2: Bi2Te3脈沖電沉積薄膜的X射線衍射圖。衍射圖y軸使用對數標尺,以強調薄膜中沒有其他方向。

 

圖3:Bi2Te3薄膜的SEM圖像。(A)俯視圖,(B)橫截面。

 

圖4:面內測量電阻率、塞貝克系數和功率因數隨溫度的變化。

 

圖5:室溫下的面外塞貝克系數。(a)塞貝克系數分布,和(b)由商業系統塞貝克微探針測量的塞貝克系數圖。

 

圖6:平面外導電設置方案。

 

 

【結論】

通過改變生長周期中無電流部分的持續時間得到了脈沖電流,再利用脈沖電沉積工藝得到沿[110]方向高取向的Bi2Te3薄膜。在300 K時,平面內的品質因數約為(5.6±1.2)·10-2,而平面外的品質因數為(10.4±2.6)·10-2。通過這些測量,揭示了Bi2Te3電沉積薄膜的電、熱導率各向異性和塞貝克系數各向同性。垂直于c軸的電導率幾乎是平行于c軸的電導率的5(4.8)倍。垂直于c軸的塞貝克系數在沿c軸的塞貝克系數的實驗不確定度范圍內,表明電沉積膜的該特性具有各向同性。從平面內到平面外的導熱率增加了兩倍。由300K時的面內和面外測量值,分別得到zT// c =(5.6±1.2)·10-2和zT⊥c =(10.4±2.6) ·10-2的品質因數,從而使面內和面外熱電性能增加了1.8倍。

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