优化溅射功率调控方法

5.1.1.1　薄膜制备

本节采用射频磁控溅射法分别在硅基片和玻璃基片上沉积Sb2Te3薄膜，探索靶材溅射功率对薄膜结构和热电性能的影响。实验所用基片在薄膜沉积前分别用浓硫酸和双氧水的混合溶液、丙酮、酒精各浸泡10 min，然后用去离子水清洗，最后用高纯N2吹干。实验本底真空小于2×10-6Torr，氩气流量稳定在13.5 mL／min，基片台转速为20 r／min，由此可获得均匀性较好的Sb2Te3薄膜。实验时，调节碲化锑合金靶材的溅射功率分别为15 W、20 W、25 W，通过石英晶振片实时监测薄膜的厚度，最后用台阶仪测试薄膜厚度约为240 nm。同时，利用XRD、SEM、EDS等分析手段对所制备的Sb2Te3薄膜进行表征，并利用自制设备对其电学性能进行测试。

5.1.1.2　薄膜结构

图5-1（a）是Sb2Te3的溅射功率与沉积速率之间的关系图。从图5-1（a）中可以看出，随着溅射功率的增加，沉积速率增大，且沉积速率与射频功率之间具有较好的线性关系。溅射功率不仅决定了溅射现象能否产生，而且功率大小也将影响轰击到靶材的离子的能量，进而影响靶材的溅射率。随着溅射功率的增大，气体的离化率增强，等离子体密度增加，轰击到靶材表面的离子数目增多且能量增强，因而薄膜的生长速率随溅射功率的增加而增加。图5-1（b）是Sb2Te3薄膜中Te原子含量与溅射功率之间的关系。可以看出，随着溅射功率的增加，薄膜中Te的原子含量降低。Sb2Te3靶材的溅射功率为15 W时，薄膜中Te原子含量占67.6%；而当溅射功率增加到25 W时，薄膜中Te原子含量占62.8%。同时，发现室温下沉积的Sb2Te3薄膜中富Te，偏离化学成分比，这可能是由于Te的溅射产额比Sb的溅射产额高。

图5-1　Sb2Te3的（a）溅射功率与沉积速率以及（b）Te原子含量之间的关系

图5-2是不同溅射功率下Sb2Te3薄膜的SEM图。可以看出，不同溅射功率下沉积的薄膜表面形貌变化不大，薄膜表面较均匀致密。随着溅射功率的增加，薄膜的晶粒尺寸略微增加。这是因为溅射功率增加时，从靶材表面溅射飞向基片的原子能量增加，原子扩散能力增强，晶核之间相互融合长大，薄膜晶粒尺寸有所增加。

5.1.1.3　溅射功率对其热电性能的影响(https://www.xing528.com)

如图5-3所示为不同溅射功率下Sb2Te3薄膜的电学性能。从图5-3（a）中可知，随着溅射功率的增加，薄膜的电阻率逐渐降低。当溅射功率为15 W时，薄膜的电阻率为12.14 mΩ·cm；溅射功率增加到25 W时，薄膜的电阻率降低到7.97 mΩ·cm。由于Te材料本身的电阻率比较高，因此薄膜电阻率的降低主要是由于薄膜中Te成分的减少。从图中可以看出，所有样品的塞贝克系数均为正值，这表明所制备的Sb2Te3薄膜样品为P型。当溅射功率从15 W增加到20 W时，薄膜的塞贝克系数由136.43μV／K增加到147.24μV／K；进一步增加溅射功率，薄膜的塞贝克系数反而降低为140.26μV／K。可见，薄膜的塞贝克系数随着溅射功率的增加先增加再降低。

图5-2　不同功率下Sb2Te3薄膜的SEM图

（a）15 W；（b）20 W；（c）25 W

图5-3　不同溅射功率下Sb2Te3薄膜的热电性能

（a）电阻率和塞贝克系数；（b）功率因子

根据电阻率和塞贝克系数可以计算出Sb2Te3薄膜的功率因子，计算结果如图5-3（b）所示。可以看出，随着溅射功率的增加，薄膜的功率因子先增加再略有降低，这是因为功率因子是由电阻率和塞贝克系数二者综合的结果。尽管薄膜的电阻率随着溅射功率的增加而降低，但塞贝克系数随着功率的增加先增加再降低。当功率为20 W时，室温下沉积的Sb2Te3薄膜的功率因子达最大值2.5μW·cm-1·K-2。