Te纳米粒子体积分数对Sb2Te3基薄膜热电性能的影响

1）Hall 系数测试

由表6-6可以看出，不同Te体积分数的Sb2Te3薄膜的霍尔系数均为正值，表明所有样品都由空穴导电，实验制得的样品均为P型半导体。不同Te体积分数的Sb2Te3薄膜载流子迁移率和载流子浓度随Te体积分数增大的变化关系如图6-30所示。随着Te体积分数的增加，样品的迁移率迅速降低，载流子浓度缓慢增加，迁移率降低的速度大于载流子浓度增加的速度，最终导致了样品的电导率随着Te体积分数的增加而降低。

表6-6　不同Te体积分数样品的霍尔系数测试结果

图6-30　不同Te体积分数的Sb2Te3薄膜载流子迁移率和载流子浓度随Te体积分数增大的变化关系（右上角插图为电导率随Te体积分数增大的变化关系）

迁移率随Te体积分数的增加而减小的变化可归因于Te与Sb2Te3之间形成的界面晶界的影响，纳米复合物体内材料之间若存在功函数差异，会在材料体内形成载流子的能级势垒，起到过滤载流子的效应，可提高材料的热电性能。图6-31为Te和Sb2Te3接触的能带图，平衡时Te和Sb2Te3接触的能带图如图6-31（b）所示，此图表明在Te／Sb2Te3界面处存在能级势垒。由图6-31（a）可以看出Te和Sb2Te3功函数分别为4.95 eV和4.45 eV，因而在接触后会存在能带弯曲的平衡能带图［见图6-37（b）］。由于能级势垒的存在，在Te和Sb2Te3界面处，低能量的载流子（冷载流子）受到强烈的散射，而高能量载流子（热载流子）受到的散射较弱，这样高能量的载流子能够越过能级势垒而低能量的载流子则不能，从而导致了热、冷载流子的分离。强烈的散射导致了载流子的迁移率降低，这就给出了含有Te纳米粒子的样品迁移率降低的原因。随着Te体积分数的增加，Te纳米粒子的质量越来越大，Te／Sb2Te3界面越来越明显，对冷载流子的散射也越来越强烈，因而载流子的迁移率随着Te体积分数的增加而降低。

图6-31　Te与Sb2Te3接触的能带图

（a）Te和Sb2Te3接触前的能带图；（b）Te和Sb2Te3接触后平衡的能带图（忽略了界面态的影响）

2）塞贝克系数测试

使用实验室搭建的塞贝克系数和电导率测试装置测试了不同Te体积分数的Sb2Te3薄膜样品。测试结果如图6-32所示，塞贝克系数均为正值，表明样品均为P型半导体，这与Hall系数测试结果一致。随着Te体积分数的增加，塞贝克系数迅速增加，从不含Te纳米粒子且符合化学计量比的Sb2Te3薄膜的121μV／K一直增加到Te体积分数为45%的195μV／K。功率因子可由塞贝克系数和电导率计算获得。功率因子随着Te体积分数的增加先增加后减小。当Te体积分数为17%时，功率因子达到最大的9.3μW·cm-1·K-2，相比不含Te纳米粒子且符合化学计量比的Sb2Te3薄膜（6.4μW·cm-1·K-2）提高了约50%。当Te体积分数继续增大时，功率因子反而降低，这是由于电导率随着Te体积分数的增加而迅速降低的速度超过了塞贝克系数增加的速度。(www.xing528.com)

由图6-31分析得出，Te纳米粒子的存在会使样品中形成Te-Sb2Te3界面势垒，由于此界面势垒的存在，在Te和Sb2Te3界面处，低能量的载流子（冷载流子）受到强烈的散射，而高能量载流子（热载流子）受到的散射较弱，这样高能量的载流子能够越过能级势垒而低能量载流子则不能，从而导致了热、冷载流子的分离。冷的低能载流子对塞贝克系数不利，因此热、冷载流子的分离有利于提高塞贝克系数，这给出了随着Te体积分数的增加，塞贝克系数增加（见图6-32）的原因。另一方面，由Mott关系式可知，在费米能级附近，塞贝克系数是依赖于能量的电导率对能量的导数，与载流子浓度和载流子迁移率呈近反比关系。从霍尔系数测试结果可知，不同Te体积分数的Sb2Te3薄膜样品的载流子浓度差异不大，数量级都为1020cm-3。但是随着Te体积分数的变化，样品的迁移率变化显著，随着Te体积分数的增加，Sb2Te3薄膜样品的迁移率减小，这也解释了Te体积分数不同的Sb2Te3薄膜样品塞贝克系数变化的原因。

室温下，Te体积分数不同的Sb2Te3薄膜样品塞贝克系数与载流子浓度的关系（Pisarenko plot）如图6-33所示。曲线表示不同有效质量下理论关系图，图中实体圆圈表示实验中不同Te体积分数时的数值关系。假设Sb2Te3薄膜是单周期能带的简并半导体，此模型下可得到如下公式：

图6-32　不同Te体积分数的Sb2Te3薄膜塞贝克系数和电导率随Te体积分数增加的变化关系（右上角插图为功率因子随Te体积分数的变化关系）

图6-33　塞贝克系数与载流子浓度的关系

式中，kB为波尔兹曼常数；T为绝对温度；e为电子电量；h为普朗克常量；n为载流子浓度；m*为载流子有效质量。当载流子有效质量分别取me、3me和5me时，得到三条不同的塞贝克系数与载流子浓度的关系曲线，如图6-33所示。由图6-33可以看出，塞贝克系数与载流子浓度呈反相关的关系，给定载流子浓度，塞贝克系数随载流子有效质量增大而增大。随着Te体积分数增加塞贝克系数增大是由于载流子有效质量增大。载流子有效质量是材料内部作用力的反映，这也从另一方面说明了在含有Te的纳米粒子的薄膜中，由于Te-Sb2Te3界面的存在，低能量载流子受到强烈的散射，增加了载流子的有效质量。

3）热导率测试

根据热传输理论，纳米晶界面的存在会散射中长波声子，而这些声子会传输大量的热，纳米夹杂物具有降低母体材料热导率的作用。试验中在室温下使用3ω法对不同Te体积分数的Sb2Te3薄膜样品做了处理，并进行了热导率测试。热导率测试结果如图6-34所示，误差棒表示多次重复测量结果，不含Te纳米粒子的Sb2Te3薄膜样品热导率为0.42 W·m-1·K-1，当Te纳米粒子引入到材料体系中时，热导率为0.31～0.40 W·m-1·K-1。当Te的体积分数为17%时，与不含Te纳米粒子的Sb2Te3薄膜样品相比，热导率最大降低约26%，此时的热电优值也是最大，为0.90，而没有Te纳米粒子的Sb2Te3薄膜样品热电优值为0.46。

图6-34　不同Te体积分数的Sb2Te3薄膜热导率随Te含量的变化关系