优化调控溅射功率的方法

5.2.1.1　薄膜制备

本节采用射频磁控共溅射法在硅基片和玻璃基片上沉积Bi-Sb-Te合金薄膜，探索靶材溅射功率对薄膜结构和热电性能的影响。实验时，保证其他工艺参数不变，固定Sb2Te3合金靶材的溅射功率为20 W，调节Bi合金靶材的溅射功率分别为3 W、4 W、5 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。为了优化薄膜的性能，将制备的样品进行后退火处理，退火温度分别为100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃，退火时间为6 h，以便与所制备的Sb2Te3薄膜进行横向对比。同时，利用XRD、SEM、EDS等分析手段对所制备的薄膜进行表征，并利用自制设备对其电学性能进行测试。

5.2.1.2　薄膜结构

图5-12是Bi靶溅射功率为3 W时的Bi-Sb-Te合金薄膜中各元素的分布SEM图。由图5-12（b）和（c）可以看出制备的合金薄膜中Sb、Te元素呈现出较均匀的分布。值得注意的是，从图5-12（a）中可以看出一些Bi纳米晶粒随机分布在薄膜内，而在宏观上又呈现出较均匀的分布，这表明室温下可利用磁控共溅射法制备出掺杂较均匀的合金薄膜。

图5-12　Bi靶溅射功率为3 W的Bi-Sb-Te合金薄膜中各元素分布SEM图

（a）Bi；（b）Sb；（c）Te；（d）Bi-Sb-Te合金薄膜

图5-13是不同Bi靶溅射功率下Bi-Sb-Te合金薄膜的SEM图。由图5-13可以看出，不同Bi靶溅射功率下沉积的薄膜表面形貌变化不大，薄膜表面平整致密且随机分布一些微晶粒。结合图5-12，认为这些微晶粒的主要成分可能是Bi元素。随着Bi靶溅射功率的增加，从靶材表面溅射飞向基片的Bi原子能量增加，原子扩散能力增强，晶核之间相互融合长大，纳米晶粒的尺寸略为增大。

如图5-14所示为不同Bi靶溅射功率对Bi-Sb-Te合金薄膜原子含量的影响。由图5-14可以看出，当Bi靶溅射功率为3 W时，合金薄膜中Bi的原子含量约为8.9%，Sb的原子含量约为30.2%，Te的原子含量约为60.9%。随着Bi靶溅射功率的增加，合金薄膜中Bi的原子含量增加。这是因为Bi靶的溅射功率为3～5 W时，由于靶溅射功率较低，溅射产额与靶溅射功率呈线性增加关系；随着Bi靶溅射功率的增加，Bi原子的产额增加，因而合金薄膜中Bi的原子含量增加。

5.2.1.3　热电性能(www.xing528.com)

图5-13　不同Bi靶溅射功率下Bi-Sb-Te合金薄膜的SEM图

（a）3 W；（b）4 W；（c）5 W

图5-14　Bi-Sb-Te合金薄膜中各元素的原子含量与Bi靶溅射功率之间的关系

如图5-15所示为不同Bi靶溅射功率下Bi-Sb-Te合金薄膜的电学性能。由图5-15（a）可知，随着射频功率的增加，薄膜的电阻率逐渐增加。当Bi靶溅射功率从3 W增加到5 W时，薄膜的电阻率由30.47 mΩ·cm增加到42.02 mΩ·cm。尽管随着Bi靶的溅射功率的增加，合金薄膜中Te的原子含量降低，这有利于薄膜电阻率的降低；但同时Bi的掺杂量也增加，增加了合金薄膜中晶界界面，增加了对载流子的界面散射，从而使电阻率增加。另一方面，元素Bi本身的导电性能较差，掺入导电性能较差的元素也有可能导致薄膜电阻率的增加。从图5-15（a）可以看出，所有样品的塞贝克系数均为正值，表明所制备的Bi-Sb-Te合金薄膜均为P型。当Bi靶溅射功率从3 W增加到5 W时，合金薄膜的塞贝克系数由66.1μV／K降低到58.73μV／K，薄膜的塞贝克系数随Bi靶溅射功率的增加逐渐降低。

图5-15　不同Bi靶溅射功率下Bi-Sb-Te合金薄膜的热电性能

（a）电阻率和塞贝克系数；（b）功率因子

不同Bi靶溅射功率下Bi-Sb-Te合金薄膜的功率因子如图5-15（b）所示。由图5-15（b）可以看出，薄膜的功率因子随着Bi靶溅射功率的增加而逐渐降低。Bi靶溅射功率从3 W增加到5 W时，合金薄膜的功率因子由0.14μW·cm-1·K-2降低到0.08μW·cm-1·K-2。值得注意的是，与Sb2Te3薄膜相比，采用磁控共溅射法在室温下制备的Bi-Sb-Te合金薄膜热电性能较差。这主要是因为合金薄膜相对于Sb2Te3薄膜而言具有较高的电阻率，从而导致合金薄膜的热电性能较差。