[发明专利]一种掺杂钛酸锶氧化物热电薄膜的制备方法

说明书

一种制备高性能掺杂型钛酸锶钙钛矿氧化物热电薄膜的方法。本发明通过控制等离子体性质以及衬底条件，实现掺杂型钛酸锶薄膜材料在与之晶格体结构相同且参数失配的氧化物单晶衬底表面的外延共格生长，并产生界面应力场。通过薄膜材料中的应力场与材料晶格畸变程度调节薄膜材料晶体结构性质、电子结构性质、极化特性、以及薄膜与衬底间界面性质，从而实现对材料电导率与赛贝克系数等热电传输性能的大幅同时提高。所制备的掺杂型钛酸锶薄膜材料的室温热电功率因子在50‑10000μW/(cm*K²)。本方法所制备的高性能掺杂型钛酸锶薄膜材料可以进一步应用于热电器件的设计与制备，从而大幅提高所制备热电器件在实现温差发电、制冷、温度传感等功能时的热能电能转换效率。

技术领域

本发明属于热电转化材料与器件以及薄膜材料生长领域，具体地涉及一种掺杂钛酸锶钙钛矿氧化物热电薄膜的制备方法。

背景技术

热电材料与器件可以通过赛贝克效应与帕尔贴效应实现热能与电能在全固态条件下的相互转换，近年来人们对热电材料的研究兴趣主要集中在以下两个方面：1)对新型热电化合物材料体系【NPG Asia Mater.,2015,7,e210,Adv.Mater.,2015,27,3639,Nature,2014,508,373】以及新型合成方法的不断探索【Nature Communications,2014,5,4908】；2)通过微结构设计，利用尺度、维度效应提高现有热电材料的性能【Adv.EnergyMater.2015,5,1500411,Adv.Funct.Mater.2013,23,4317】。生长热电薄膜材料是实现材料微结构的精确设计并降低材料维度的有效途径【Nature,2001,413,597；Science,2002,297,2229；Nature Nanotech.,2009,4,235；Chem.Mater.,2014,26,6518；Nature Mater.,2007,6,129；Chem.Mater.2015,27,2165；Chem.Mater.2014,26,2726；Nature Mater.,2015,14,622】，也是制备热电微器件的重要基础步骤【Appl.Phys.Lett.,2014,104,231907；J.Mater.Chem.C,2015,3,10362】，因而有关高性能热电薄膜生长的研究近年来备受关注。从材料角度出发，热电材料的性能主要由热电优值衡量：ZT＝S²σT/κ(S：赛贝克系数，σ：电导率；κ：热导率；T：绝对温度)。对于传统三维块体热电材料，随着载流子浓度(n)的增加，σ增大而S减小，因而当通过掺杂手段优化热电材料载流子浓度后，难以继续优化传统热电材料的功率因子(PF＝S²σ)【Nature,2001,413,597；Science,2002,297,2229】。与传统三维块体热电材料相比，热电薄膜材料可通过材料维度的降低并结合精确设计的尺度结构与界面效应，增大材料费米能级附近的态密度。这为实现σ与S的相对独立变化，即在载流子浓度不变情况下，进一步提高材料的赛贝克系数提供了可能【Nature,2001,413,597；Science,2002,297,2229；Nature Nanotech.,2009,4,235；Chem.Mater.,2014,26,6518】。与此同时，利用纳米尺度效应对声子的散射，可以降低材料的晶格热导率，从而实现对ZT的进一步提高【Science,2002,297,2229】。此外，通过制备超晶格结构引入二维电子气也为调节能带结构及优化电传输性能提供了进一步可能【Nature Mater.,2007,6,129】。从器件角度出发，以热电薄、厚膜的材料制备为基础，通过光刻(Lithography)、脉冲激光诱导向前传输(Laser Induced Forward Transfer)等技术制备的热电微器件相比传统热电器件可大大减小器件尺寸，并可实现高度集成【Appl.Phys.Lett.,2014,104,231907；J.Mater.Chem.C,2015,3,10362】。所制备的高性能热电微器件能够在毫米至微米尺度内实现热能与电能的相互转换，在生物体表温差电源、微型制冷器件、温度传感器、温度探测器等方面具有非常广阔的应用前景【J.Mater.Chem.C,2015,3,10362】。因此，制备高性能热电薄膜材料具有重要的学术意义，与重大的实际应用价值。