[发明专利]一种掺杂钛酸锶氧化物热电薄膜的制备方法

摘要

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。

主权项

1.一种制备掺杂型钛酸锶钙钛矿氧化物热电薄膜的方法，其特征在于，利用薄膜材料与衬底材料共格准外延生长条件下，由于晶格失配作用而导致的施加在掺杂型钛酸锶钙钛矿氧化物热电薄膜材料中的应力场来触发材料强关联效应，并由此对薄膜材料晶体结构、电子结构、极化特性、以及薄膜与衬底间界面性质进行调节，从而实现对掺杂钛酸锶热电薄膜材料电导率与赛贝克系数热电性能参数的提高，晶格失配作用是指晶格参数小于5％的差异；所述方法的步骤包括：A)提供薄膜生长所需要的掺杂钛酸锶钙钛矿氧化物材料靶材，其材料体系主要包括具有钙钛矿结构的掺杂型A_ySr_1‑yTi_1‑xB_xO_3±δ，其中0≤x≤0.8；0≤y≤0.8；0≤δ≤1，上式中Sr,Ti,O分别代表锶、钛、氧元素；A代表正2价或正3价掺杂元素，取代Sr的晶格位置；B为正4价、正5价或正6价掺杂元素；所述取代能用一种元素取代或多种元素同时取代；B)提供薄膜生长所需要的氧化物单晶或大晶粒多晶衬底材料，要求所述衬底材料具有钙钛矿结构，沿生长面内晶格参数介于至之间，且与薄膜材料晶格参数差异小于5％；C)利用等离子体辅助真空沉积法,通过控制等离子体性质与衬底条件，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准外延共格生长，从而引起薄膜材料的晶格畸变，得到高性能掺杂型钛酸锶钙钛矿氧化物热电薄膜；所生长的热电薄膜材料是掺杂钛酸锶单层膜结构,或多种不同掺杂类型与掺杂浓度的掺杂钛酸锶多层结构；所述方法是界面应力触发材料本体的强关联效应，此对薄膜材料晶体结构、电子结构、极化特性、以及薄膜与衬底界面特性进行调节；其中，薄膜材料在衬底表面的共格生长，且薄膜材料与衬底表面处于相反的界面应力场下；该方法可以实现对掺杂钛酸锶热电薄膜材料电导率与赛贝克系数的同时提高，而该方法中材料生长是对沉积条件及沉积中所涉及的等离子体性质的严格控制；所述等离子体性质包括等离子体组分、离子电离程度、电子密度、电子温度、等离子体传输模式。