[发明专利]一种碲化铋基合金薄膜-钙钛矿型氧化物异质结复合热电材料及其制备与应用

说明书

本发明提供一种碲化铋基合金薄膜‑钙钛矿型氧化物异质结复合热电材料及其制备与应用，该方法包括以下过程：第一步通过高温还原过程处理钙钛矿型氧化物衬底，使衬底由绝缘体变为表面导电状态；第二步通过磁控溅射的方法在衬底表面生长碲化铋基合金薄膜，制备成异质结。该方法可以结合钙钛矿型氧化物衬底大的塞贝克系数和碲化铋基合金薄膜优良的导电性能，制备出高塞贝克系数和低内阻的复合材料。本发明为改善薄膜热电材料性能、提高薄膜热电器件的性能提供了一种高效便捷的工艺思路。

技术领域

本发明属于热电技术领域，具体涉及一种碲化铋合金薄膜-钙钛矿型氧化物半导体异质结复合热电材料的制备以及其应用。

背景技术

随着全球环境污染和能源短缺等问题日益严重，新能源的开发和利用尤为关键。热电技术可以实现热能和电能之间的转化，作为一种清洁的可再生能源，受到了国内外的广泛关注。热电器件具有体积小、重量轻、无噪声、环境友好等优点，在废热回收、航空航天、热管理、传感器等领域有着巨大的应用潜力。相比于体相热电材料来说，薄膜热电器件具有体积小、响应快、易集成等优点，在微电子器件中更有应用价值。

薄膜热电器件主要通过塞贝克效应将热能转化为电能；利用帕尔贴效应实现电制冷、电加热。对于一个热电能量转换器件来说，最大输出功率其中S为塞贝克系数，ΔT为两端温差，R_int为器件内阻。塞贝克系数越大和内阻越低，输出功率越高。但是材料的塞贝克系数和电导率均与载流子浓度有关：随着载流子浓度的增加，电导率会相应增加，而塞贝克系数则会随之减小。因此，打破二者之间的耦合，是获得大输出功率的关键。

碲化铋(Bi₂Te₃)基合金作为窄带隙(0.13eV)半导体，在室温附近具有优异的热电性能，广泛应用于传统热电器件中，但是其塞贝克系数较小(＜250μV/K)，限制了其输出电压的提高。除此之外，制备成薄膜以后，内阻较高，因此输出功率通常小于200nw。与之相反的是，钙钛矿型氧化物通常是宽带隙半导体，通常具有较高的塞贝克系数，但是由于其电阻率和热导率都高于传统热电材料，也无法获得较高的输出功率。传统方法通过增加热电臂对数和增加薄膜厚度来提高薄膜热电器件输出功率，但是这些方法一般需要复杂的工艺过程。

发明内容

本发明制备了一种碲化铋基合金薄膜-钙钛矿型氧化物半导体异质结复合热电材料，用于解决现有薄膜热电材料塞贝克系数低、内阻大的问题，并可应用于提高薄膜热电器件的输出功率。通过在实空间上构筑异质结复合材料体系，将碲化铋基合金薄膜优良的导电性能和钙钛矿型氧化物衬底较高的塞贝克系数有效地结合起来，突破了单一热电材料体系中存在的电阻和塞贝克系数之间的耦合，获得了高塞贝克系数和低内阻的薄膜热电材料，从而提高了器件的输出功率。

本发明一方面提供一种复合热电材料，所述复合热电材料包括碲化铋基合金薄膜和钙钛矿型氧化物；所述碲化铋基合金薄膜和钙钛矿型氧化物复合形成异质结结构。

基于以上技术方案，优选的，所述钙钛矿型氧化物的通式为ABO₃，A为碱金属元素或稀土元素；B为过渡金属元素。

基于以上技术方案，优选的，所述A为Sr、Ba、Ca或La；所述B为Ti、Mn、Co等。

基于以上技术方案，优选的，所述钙钛矿型氧化物为SrTiO₃、BaTiO₃、LaMnO₃等。

基于以上技术方案，优选的，所述碲化铋基合金薄膜的厚度1-2000nm。

基于以上技术方案，优选的，所述碲化铋基合金为p型Bi_xSb_2-xTe₃(0≤x≤2)或n型Bi₂Te_3-ySe_y(0＜y≤3)。

本发明另一方面提供一种上述的异质结结构复合热电材料的制备方法，包括如下步骤：