BiSeTe薄膜生长参数对热电性能的影响

《Materials Advances》：Influence on the Thermoelectric Characteristics of the Growth Parameters of BiSeTe Thin Films

系统研究磁控溅射参数对100nm厚Bi2SeTe薄膜结构及热电性能的影响，通过优化功率（30-100W）与压力（3-15mTorr）及523K退火，获得功率因子2.8 mW/m·K2和Seebeck系数-140 μV/K，揭示参数与晶格取向、化学计量及性能的关联。

　　这项研究围绕着一种新型的热电材料——Bi?Se?Te???薄膜的制备展开，重点分析了磁控溅射参数对其结构、电子特性和热电性能的影响。研究团队通过系统调整溅射功率和溅射压力等关键工艺参数，成功优化了薄膜的组成与晶体结构，从而显著提升了其热电性能。Bi?Se?Te???薄膜在Si(100)基底上生长，厚度为100纳米。这种材料因其在室温附近的优异热电性能而备受关注，尤其是在能源转换和热管理领域。随着全球能源消耗的不断增长以及对减少碳排放的迫切需求，开发高效、可持续的热电材料成为科学研究的重要方向。

研究团队发现，溅射压力对薄膜的晶体结构具有决定性作用。当溅射压力从3 mTorr增加到15 mTorr时，薄膜的结晶度显著提高，并呈现出强烈的(015)择优取向。这种择优取向的形成与薄膜的晶格排列密切相关，能够有效增强材料的载流子迁移率，从而提升其热电性能。与此同时，原子力显微镜（AFM）的测试结果表明，随着溅射压力的增加，薄膜的平均晶粒尺寸也有所增大，从约46纳米增加到约60纳米。这一变化进一步支持了薄膜结晶度的改善，说明在较高压力下，薄膜的生长模式发生了积极的转变。

此外，研究团队还利用能量色散X射线光谱（EDS）对薄膜的组成进行了详细分析。结果显示，在10 mTorr的溅射压力下，薄膜的组成接近理论值，即为完全化学计量比的Bi?SeTe。然而，当溅射功率增加到15 W时，Te元素的含量明显减少，导致薄膜出现Te缺乏的情况。这种组成偏差可能会引入各种缺陷，如空位和反位缺陷，这些缺陷不仅会降低材料的电导率，还可能对Seebeck系数产生负面影响。因此，保持适当的溅射功率和压力组合对于实现理想的化学计量比至关重要。

在热电性能方面，研究团队测定了薄膜的功率因子（PF）和Seebeck系数（S）。PF是衡量热电材料性能的重要参数，它由Seebeck系数和电导率的平方乘积决定。实验结果显示，在40°C的温度下，PF的范围为2.5至2.8 mW·m?1·K?2。这一数值表明，薄膜在该温度下具备较高的能量转换效率。而Seebeck系数则反映了材料在温度梯度下的电势响应能力。通过热处理（HT），Seebeck系数从-115 μV·K?1提升到了-140 μV·K?1，说明热处理能够有效改善材料的电子结构，从而增强其热电性能。与此同时，热处理还显著降低了薄膜的电导率，其电导率下降幅度超过25%。这一结果表明，通过减少缺陷和优化晶格排列，材料的导电性能得到了显著提升。

研究团队还利用开尔文探针力显微镜（KPFM）对薄膜的表面电子结构进行了分析。KPFM的结果进一步验证了上述结论，即薄膜的晶体结构与其表面电子特性之间存在直接关联。特别是，在形成强烈的(015)择优取向后，薄膜的表面电子特性得到了优化，从而增强了Seebeck效应。这一发现为理解热电材料的微观结构与宏观性能之间的关系提供了新的视角。

从实验设计来看，研究团队采用了磁控溅射技术，这是一种广泛应用于薄膜制备的物理气相沉积方法。磁控溅射的优势在于其能够实现均匀、大面积的薄膜沉积，同时具备良好的工艺可控性。然而，传统的磁控溅射工艺在制备BiSeTe薄膜时往往无法达到理想性能，主要原因在于Se和Te元素的挥发性较高，容易在溅射过程中发生偏析，导致薄膜组成偏离理想值。这种偏析不仅会影响材料的电导率，还可能引入大量的缺陷，从而降低其热电性能。因此，研究团队通过系统调整溅射参数，试图解决这一问题。

在实验过程中，研究团队首先在5 mTorr的溅射压力下测试了不同溅射功率对薄膜性能的影响。结果表明，较低的溅射功率（如30 W）会导致薄膜结晶度较低，表现出较弱的(015)择优取向，同时其PF值也较低。随着溅射功率的增加，薄膜的结晶度逐渐提高，PF值也随之上升。然而，当溅射功率超过一定阈值时，薄膜的Te含量开始下降，导致其组成偏离理想值，进而影响其热电性能。因此，溅射功率的控制必须在保证薄膜结晶度的同时，避免过高的功率导致Te的过度挥发。

此外，溅射压力的调整也对薄膜的晶体结构产生了重要影响。在较低的溅射压力下，薄膜的生长模式较为随机，导致其晶体结构不均匀，从而影响了其热电性能。而当溅射压力增加到10-15 mTorr时，薄膜的(015)择优取向变得更加明显，说明在较高的压力下，薄膜的生长模式发生了积极的转变。这种转变可能与溅射过程中离子的动能和沉积速率的变化有关，从而影响了薄膜的晶体排列和缺陷密度。

研究团队还特别关注了Cr缓冲层的作用。Cr层作为基底与薄膜之间的中间层，能够有效防止Te与Si基底之间的反应，从而提高薄膜的化学计量比和晶体质量。这一发现表明，通过引入适当的缓冲层，可以在一定程度上改善薄膜的性能，特别是在高温处理过程中，Cr层能够减少晶格失配，促进薄膜的异质外延生长，从而提高其整体性能。

研究团队的成果表明，通过合理设计磁控溅射参数，可以实现对BiSeTe薄膜组成和晶体结构的独立控制。这种“解耦优化”策略不仅解决了传统磁控溅射工艺中常见的性能不足问题，还为未来热电材料的制备提供了新的思路。此外，研究团队还指出，热处理在提升薄膜性能方面起到了关键作用。通过适当的热处理，不仅可以优化薄膜的晶体结构，还能够减少缺陷密度，从而显著提升其热电性能。

总的来说，这项研究通过系统调整磁控溅射参数，成功优化了BiSeTe薄膜的组成和晶体结构，从而显著提升了其热电性能。研究团队的发现不仅为热电材料的制备提供了重要的理论依据，也为未来在热电转换和热管理领域的应用奠定了基础。通过这一研究，科学家们更深入地理解了磁控溅射工艺与薄膜性能之间的关系，为开发高性能、可持续的热电材料提供了新的方向。