【科技前沿】量子局域復(fù)合調(diào)制摻雜實(shí)現(xiàn)硅基薄膜熱電性能騰飛

科技前沿

Advanced Technology

【編者按】為了更好地營造校園學(xué)術(shù)氛圍，傳播我校學(xué)術(shù)科研動(dòng)態(tài)，即日起，學(xué)校在校園網(wǎng)開辟“科技前沿”專欄，定期總結(jié)、回顧學(xué)校師生取得的科研成果。歡迎廣大師生及時(shí)把自己的學(xué)術(shù)科研成果以郵件的形式告訴我們，我們希望獲得您以下成果信息：為政府、企業(yè)、媒體進(jìn)行了專業(yè)咨詢；科技成果通過了相關(guān)鑒定；科技成果落地、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；發(fā)表了高水平的學(xué)術(shù)論文；獲得了專利授權(quán)；出版、編著了專著、教材；獲得了科技獎(jiǎng)勵(lì)；在重要學(xué)術(shù)會(huì)議上進(jìn)行了發(fā)言……

我們?cè)敢鉃橛袑W(xué)術(shù)追求的師生搭建一個(gè)交流的平臺(tái)，希望在師生的努力下，學(xué)校的學(xué)術(shù)氛圍可以日益濃厚，讓我們?yōu)閷?shí)現(xiàn)電子信息特色鮮明的國內(nèi)高水平大學(xué)而奮斗。

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背景介紹

熱電(TE)能量轉(zhuǎn)換效率由性能ZT=S2σT/κ決定，其中S、σ和κ分別代表賽貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和導(dǎo)熱率。目前，TE材料的κ已被證明通過納米結(jié)構(gòu)、聲學(xué)支和光學(xué)支聲子散射、超晶格沉淀等機(jī)制抑制到非晶相的極限，因此，實(shí)現(xiàn)高ZT的一個(gè)首選的策略是提升Seebeck系數(shù)，因?yàn)樗�與ZT是平方關(guān)系，同時(shí)還需保持一個(gè)相對(duì)高的電導(dǎo)率，但由于S和σ通過載流子濃度反向耦合，很難同時(shí)提高S和σ。在過去的幾十年里，功率因子的(PF=S2σ)增強(qiáng)已經(jīng)通過各種策略實(shí)現(xiàn)，如量子局域、調(diào)制摻雜、能量過濾效應(yīng)、帶結(jié)構(gòu)工程、晶界修飾等。盡管理論研究表明改進(jìn)PF是可能的，但迄今為止的實(shí)驗(yàn)普遍表明，單一的策略并不能顯著提高PF。最近，Jeffrey J. Urban預(yù)測量子點(diǎn)混合陣列有望實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的TE性能，而基于硅的TE器件未來在室溫區(qū)域會(huì)具有理想的ZT值（Nat.Nanotechnol.2015,10,997）。因此，能夠顯著提高現(xiàn)有量子點(diǎn)雜化材料性能的新方法或新策略將變得更具競爭力。此外，如果量子點(diǎn)能夠被用于更宏觀的薄膜形式，它們也可以作為能量收集的薄膜設(shè)備，為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)傳感器提供驅(qū)動(dòng)力。

基于上述研究背景，我校信息與通信學(xué)院李海鷗教授團(tuán)隊(duì)成員彭英博士與日本國立研究開發(fā)法人物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)、日本名古屋大學(xué)、韓國慶熙大學(xué)等單位聯(lián)合報(bào)道了“Constructed Ge Quantum Dots and Sn Precipitate SiGeSn Hybrid Film with High Thermoelectric Performance at Low Temperature Region”（低溫區(qū)高熱電性能鍺量子點(diǎn)和錫顆�；旌瞎桄N錫薄膜的構(gòu)筑）研究成果。該成果于2021年11月28日在線發(fā)表國際頂級(jí)期刊Advanced Energy Materials上（2020-2021年影響因子IF為29.4），原文鏈接：DOI: 10.1002/aenm.202103191https://onlinelibrary.網(wǎng)址未加載/doi/10.1002/aenm.202103191，這是桂林電子科技大學(xué)首次以第一作者、第一工作單位并且第一通訊單位在頂刊Advanced Energy Materials期刊上發(fā)表研究文章（Research paper）。目前該論文正在被Advanced Energy Materials期刊在線選拔，有望作為該期刊封面文章刊印。

硅鍺基熱電(TE)材料是眾所周知的高溫區(qū)熱電材料，但很少涉及中低溫區(qū)域的應(yīng)用。本文通過超快高溫退火(UHA)處理的磷離子注入SiGeSn薄膜，在Si/SiO2襯底上構(gòu)建了Ge量子點(diǎn)(QDs)和Sn顆�；旌蟂iGeSn薄膜。發(fā)現(xiàn)該混合結(jié)構(gòu)薄膜在室溫區(qū)域具備超高功率因子，論文主要內(nèi)容如下：

論文導(dǎo)讀

圖1硅鍺錫薄膜制備流程 a.薄膜沉積,離子注入工藝；b. UHA快速退火制備工藝

圖2薄膜表面形貌解析a-c.超快速退火2、5、10秒硅鍺錫薄膜表面SEM圖像；d.快速退火2、5、10秒硅鍺錫薄膜錫、鍺含量變化圖；e.硅鍺錫薄膜中鍺量子點(diǎn)和錫納米顆粒演化示意圖。

圖3量子點(diǎn)解析圖，a-c.硅鍺錫薄膜鍺量子點(diǎn)TEM圖像；d-e.硅鍺錫薄膜中錫顆粒統(tǒng)計(jì)圖。

圖4.薄膜電輸運(yùn)性能和磁阻（MR）測試結(jié)果，a、b和c.電阻和測試溫度對(duì)薄膜的依賴關(guān)系圖;d.4K和5K磁阻擬合圖，e, f.5秒U(xiǎn)HA Si0.844Ge0.105Sn0.051樣品在2-10 K下擬合的WAL。

圖5.a硅鍺錫薄膜載流子濃度變化圖;b鍺量子點(diǎn)能量過濾，錫顆粒調(diào)制摻雜復(fù)合效應(yīng)示意圖。

圖6薄膜熱電性能測試圖，a-c。2、5、10秒U(xiǎn)HA退火硅鍺錫薄膜熱電性能圖;

d.量子點(diǎn)復(fù)合錫顆粒硅鍺錫薄膜功率因子比較圖。

供Advanced Energy Materials在線選拔的論文封面。

結(jié)論

本研究報(bào)道了一種基于鍺量子點(diǎn)、錫顆粒混合納米結(jié)構(gòu)的n型高性能SiGeSn熱電薄膜。結(jié)果表明：UHA處理協(xié)同離子注入過程可以制備出含有鍺量子點(diǎn)和錫金屬析出顆粒的薄膜，以及非晶混合晶相，從而獲得顯著的TE性能。該混合結(jié)構(gòu)薄膜中，復(fù)合以Sn析出顆粒為主導(dǎo)的調(diào)制摻雜效應(yīng)和高密度的Ge量子點(diǎn)產(chǎn)生的能量過濾效應(yīng)，在保持低熱導(dǎo)率的同時(shí)，室溫條件下獲得了91μWcm1K2的巨大功率因子。其中，量子點(diǎn)尺寸、密度和錫含量之間的相互作用是薄膜中產(chǎn)生巨大PF的根本原因。上述研究為能量過濾和調(diào)制摻雜效應(yīng)的協(xié)同提供了一條途徑，為制備具有驚人性能的TE材料提供了新的解決方案。

來源 | 校園網(wǎng)

責(zé)編 | 歐陽鑫

科研動(dòng)態(tài)｜電磁波振幅、相位、偏振全參數(shù)控制研究新進(jìn)展

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