各向異性對高取向Bi2Te3電沉積薄膜熱電性能的影響

【引言】

    由于開發替代能源的必要性，相比于那些依賴化石燃料的能源，熱電材料已經引起了人們的極大關注。Bi₂Te₃基合金就是一種熱電材料，非常適合在室溫至100℃的溫度范圍內工作。Antonova等人的工作中，強調了平行和垂直于C軸的單晶體碲化鉍的室溫各向異性熱電性能。因此，可以利用Bi2Te3薄膜的各向異性特性來獲得大性能。

【成果介紹】

Cristina V. Manzano等人采用脈沖電沉積法，制備了沿[110]晶相的高取向Bi₂Te₃薄膜。對這些薄膜的結構、組成和形貌進行了表征。通過使用商用LSR-3 Linseis系統測量塞貝克系數、各方向的電導率和熱導率，確定了平行和垂直于襯底表面的熱電性能品質因數（zT）。在300K時，Bi₂Te₃薄膜的面內和面外品質因數分別為（5.6±1.2）·10^-2和（10.4±2.6）·10^-2。

【圖文導讀】

圖1：（A）Bi₂Te₃的晶體結構。（B）在本工作中測量的電沉積膜的方向。

圖2： Bi₂Te₃脈沖電沉積薄膜的X射線衍射圖。衍射圖y軸使用對數標尺，以強調薄膜中沒有其他方向。

圖3：Bi₂Te₃薄膜的SEM圖像。（A）俯視圖，（B）橫截面。

圖4：面內測量電阻率、塞貝克系數和功率因數隨溫度的變化。

圖5：室溫下的面外塞貝克系數。（a）塞貝克系數分布，和（b）由商業系統塞貝克微探針測量的塞貝克系數圖。

圖6：平面外導電設置方案。

【結論】

通過改變生長周期中無電流部分的持續時間得到了脈沖電流，再利用脈沖電沉積工藝得到沿[110]方向高取向的Bi₂Te₃薄膜。在300 K時，平面內的品質因數約為（5.6±1.2）·10^-2，而平面外的品質因數為（10.4±2.6）·10^-2。通過這些測量，揭示了Bi₂Te₃電沉積薄膜的電、熱導率各向異性和塞貝克系數各向同性。垂直于c軸的電導率幾乎是平行于c軸的電導率的5（4.8）倍。垂直于c軸的塞貝克系數在沿c軸的塞貝克系數的實驗不確定度范圍內，表明電沉積膜的該特性具有各向同性。從平面內到平面外的導熱率增加了兩倍。由300K時的面內和面外測量值，分別得到zT_{// c} =（5.6±1.2）·10^-2和zT_⊥c =(10.4±2.6) ·10^-2的品質因數，從而使面內和面外熱電性能增加了1.8倍。