薄膜热电性能测试技术

利用自制的塞贝克系数测试装置对在玻璃基片上制备的薄膜样品进行塞贝克系数的测试，测试结果如图6-20所示。Sb2Te3薄膜和Bi0.4Sb1.6Te3薄膜的塞贝克系数分别为159.86μV／K和134.71μV／K。代位的Bi原子掺杂使得Bi0.4Sb1.6Te3薄膜的塞贝克系数比Sb2Te3薄膜的略有下降但影响不明显。

图6-20　塞贝克系数测试结果

（a）Bi0.4Sb1.6Te3；（b）Sb2Te3

为获得载流子浓度和迁移率的信息，对制备的Bi0.4Sb1.6Te3薄膜和Sb2Te3薄膜进行Hall系数测试。载流子浓度和迁移率测试的结果以及计算出来的薄膜颗粒尺寸和载流子平均自由程如表6-5所示。Bi0.4Sb1.6Te3薄膜和Sb2Te3薄膜测得的载流子均为正，说明两个样品主要以空穴导电。Bi0.4Sb1.6Te3薄膜具有较低的载流子浓度（7.9×1018cm-3）和较小的迁移率（50.6 cm2·V-1·s-1），Sb2Te3薄膜对应的值分别为1.1×1019cm-3和457 cm2·V-1·s-1，可以看出Bi原子的引入同时降低载流子浓度和迁移率。与Sb2Te3薄膜相比，Bi0.4Sb1.6Te3薄膜的载流子平均自由程更小，尽管其颗粒尺寸比前者要大。大的颗粒尺寸意味着载流子受到微晶界面的散射会较弱，因此低的载流子浓度和小的平均自由程说明在微晶内部存在更多的散射中心。这些散射中心很可能来源于代位掺杂的Bi原子，因为Bi0.4Sb1.6Te3薄膜具有更高的结晶度。Bi、Sb的功函数分别为4.22 eV和4.55 eV，因此在Bi2Te3和Sb2Te3材料中导带和价带的位置不同。Bi2Te3材料的导带略微低于Sb2Te3薄膜，同时其价带相比Sb2Te3材料略高，即Bi2Te3材料的带隙处在Sb2Te3材料的带隙之中。这两种材料的能级如图6-21左下角所示。当少量的Bi原子被引入到Sb2Te3晶格结构中占据Sb原子位，将会导致在导带底和价带顶形成新的能级，电子（在导带中传输）和空穴（在价带中传输）将会受到这些新产生能级的一定的吸引力。因此载流子受到的散射将会增加，导致弛豫时间减少。如图6-21所示为代位Bi原子对导带中电子传输的影响。

表6-5　Bi0．4Sb1．6Te3和Sb2Te3薄膜的电学传输特性

图6-21　Bi原子代位掺杂对传输电子的影响（虚线代表自由电子处在代位掺杂Bi原子周围时的势能）(https://www.xing528.com)

为了进一步了解薄膜电传输特性，在-50～150℃的范围内分别测试Bi0.4Sb1.6Te3薄膜和Sb2Te3薄膜电阻，然后根据薄膜电导率获得制备的薄膜样品电导率随温度的变化曲线，如图6-22所示。Sb2Te3薄膜的电导率随温度增加而单调递减，类似的现象在之前的文献中也有报道。纯净的Sb2Te3薄膜拥有浅能级杂质，其中大多数在室温以下的温度已经电离了。当温度进一步升高时，增强的晶格振动增加了电子传输的阻力，导致电导率下降。然而，Bi0.4Sb1.6Te3薄膜的电导率随着温度的升高呈近似e指数的增加。在Bi0.4Sb1.6Te3薄膜中，替代掺杂的Bi原子将会对属于杂质或缺陷局域电子的电离有一定的抑制作用，使得电导活化能增加。因此，随着温度的升高，更多的载流子被激发使得Bi0.4Sb1.6Te3薄膜的电导率增加。

图6-22　电导率随温度的变化曲线

（a）Bi0.4Sb1.6Te3；（b）Sb2Te3

Bi0.4Sb1.6Te3薄膜电导率对数值与温度倒数的关系曲线如图6-23所示。Bi0.4Sb1.6Te3薄膜的电导活化能计算结果是43.2 meV，稍微高于室温对应的能量38.8 meV（E0＝32kBT）。在室温附近，杂质的电离度相对比较低，因此在测试的温度范围内Bi0.4Sb1.6Te3薄膜显示出明显的半导体导电特性。

图6-23　Bi0．4Sb1．6Te3薄膜电导率的对数值与温度倒数之间的关系曲线