厚度对薄膜塞贝克系数影响的调控

本节主要研究厚度对Bi-Sb-Te合金薄膜微结构和热电性能的影响。实验时固定Sb2Te3合金和Bi合金靶的溅射功率分别为20 W和3 W，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。其他工艺参数不变，通过调节薄膜沉积时间分别为40 min、60 min、80 min、105 min、125 min以制备不同厚度的合金薄膜。为了优化薄膜的性能，将制备的样品进行后退火处理。根据上节可知，退火温度为300℃时合金薄膜具有较好的热电性能，因此本节在对不同厚度的合金薄膜样品进行后退火处理时，选择退火温度为300℃，退火时间为6 h。同时，利用XRD、SEM等分析手段对所制备的合金薄膜进行表征，并利用自制设备对其电学性能进行测试。

5.2.3.1　薄膜结构

通过调节薄膜沉积的时间来控制薄膜的厚度，制备的Bi-Sb-Te合金薄膜的厚度及原子含量与沉积时间之间的关系如表5-5所示。从表中可以看出，随着合金薄膜厚度的增加，薄膜中元素Bi的原子含量略有增加，而元素Te的原子含量则有所降低。当薄膜厚度为280 nm时，薄膜中Bi的原子含量为9.1%，Sb的原子含量为30.1%，Te的原子含量为60.8%，薄膜的成分最接近化学计量比Bi0.5Sb1.5Te3.0。

表5-5　Bi-Sb-Te合金薄膜的厚度及原子含量与沉积时间的关系

图5-21是不同厚度下Bi-Sb-Te合金薄膜的SEM图。从图5-21中可以看出，室温下沉积的不同厚度的Bi-Sb-Te合金薄膜的表面形貌变化不大，薄膜表面较为平整致密且随机分布一些Bi纳米晶粒。随着厚度的增加，薄膜表面Bi纳米晶粒的数目增多且尺寸增大。随着溅射时间的延长，在溅射辉光的照射下，基片的相对温度有所提高，薄膜受热，原子获得足够的能量和时间进行扩散，薄膜内的小晶粒间相互融合长大，从而使薄膜中纳米晶粒数目增多且尺寸增大。

5.2.3.2　热电性能

图5-21　不同厚度的Bi-Sb-Te合金薄膜的SEM图(www.xing528.com)

（a）90 nm；（b）140 nm；（c）180 nm；（d）240 nm；（e）280 nm

如图5-22所示是退火前后Bi-Sb-Te合金薄膜的电学性能与薄膜厚度之间的关系。从图5-22（a）中可知，当薄膜厚度为90 nm时，薄膜的电阻率为61.42 mΩ·cm；随着厚度的增加，合金薄膜的结晶度提高，缺陷减少，薄膜的电阻率逐渐降低。值得注意的是，与Sb2Te3薄膜相比，Bi-Sb-Te合金薄膜的电阻率较高，这与预期的一致。因为Bi纳米晶粒的掺入增加了薄膜中的界面，载流子在运输过程中被散射的概率增加，其平均自由程减少，从而导致电阻率增大。另一方面，经过退火（300℃）处理后，薄膜的电阻率显著降低，且退火后的薄膜随着厚度的增加，薄膜的电阻率仍有所降低。主要原因是在退火过程中，原子发生扩散再结晶和晶粒长大的过程显著增强，同时薄膜内部的缺陷程度也显著降低，引起载流子散射的因素减少，从而使薄膜的电阻率在退火处理后显著降低。厚度为280 nm的薄膜经过300℃退火处理后，薄膜的电阻率达最小值1.57 mΩ·cm。从图5-22（b）中可以看出，室温下沉积的Bi-Sb-Te合金薄膜厚度为90 nm时，薄膜的塞贝克系数为93.9μV／K。随着厚度的增加，薄膜的塞贝克系数逐渐降低。经过退火（300℃）处理后，薄膜的塞贝克系数显著增加。薄膜厚度为270 nm时，塞贝克系数达最大值203.82μV／K。塞贝克系数的增加主要归因于退火处理后薄膜载流子浓度的降低。

图5-22　退火前后Bi-Sb-Te合金薄膜的热电性能与厚度之间的关系

（a）电阻率；（b）塞贝克系数；（c）功率因子

图5-22（c）是退火前后Bi-Sb-Te合金薄膜的功率因子与厚度之间的关系。可以看出，室温下沉积的Bi-Sb-Te合金薄膜功率因子较低，热电性能较差。经过退火（300℃）优化后，薄膜的功率因子显著提高，热电性能得到显著改善。厚度为280 nm的薄膜在退火后功率因子达到最大值26.41μW·cm-1·K-2。