硒化后处理优化Bi2 Se3 薄膜载流子-晶格协同效应实现高性能热电转换

本文针对Bi2 Se3 薄膜热电性能不足的难题，通过脉冲激光沉积（PLD）结合硒化后处理技术，同步优化载流子浓度（n）和晶体取向，使薄膜功率因子（PF）提升至9.5 μW·cm-1 ·K-2 （475 K），并构建出输出功率密度达441.3 μW/cm2 的柔性热电发生器（TEG），为自供能微电子器件提供了低成本解决方案。

　　

在可穿戴电子设备蓬勃发展的今天，如何为微型器件提供持续稳定的能源成为关键挑战。热电材料能够直接将废热转化为电能，理论上可完美解决这一需求。然而，当前主流热电材料如Bi₂
Te₃
和PbTe因含昂贵碲元素或有毒铅元素，难以大规模应用。相比之下，由地壳丰度元素构成的Bi₂
Se₃
具有环境友好、成本低廉的优势，但其热电性能始终无法突破——这主要源于硒空位导致的过高载流子浓度（n）和晶体取向紊乱。

针对这一瓶颈，中国科学院的研究团队在《Journal of Materiomics》发表创新成果。他们采用脉冲激光沉积（PLD）结合精准硒化后处理的策略，通过调控硒空位缺陷和晶体生长取向，成功实现了Bi₂
Se₃
薄膜性能的突破性提升。研究团队首先通过PLD在Al₂
O₃
(00l)基底上沉积薄膜，随后在325°C真空环境中进行30-120分钟的硒化处理，利用X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）系统表征材料结构，并通过物理性能测量系统（PPMS）和ZEM-3仪器测试热电性能。

3.1 形貌与晶体结构分析
研究发现硒化处理显著修复了硒空位，使晶格常数c从初始的2.83 nm恢复至标准值2.86 nm。60分钟处理的薄膜呈现最高c轴取向因子（F=0.91），其平均晶粒尺寸增至183.7 nm，而过度处理（120分钟）会导致单质硒析出。透射电镜证实薄膜沿c轴外延生长，界面平整度达原子级别。

3.2 热电性能突破
通过电子局域函数（ELF）和能带结构计算发现，硒空位修复使费米能级远离导带底，带隙从0.425 eV拓宽至0.652 eV。60分钟硒化薄膜的载流子浓度降至2.0×10¹⁹
cm^-3
，同时迁移率（μ_H
）提升6倍至143.2 cm²
·V^-1
·s^-1
，这归因于晶界势垒高度（φ_b
）降低至68 meV。最终薄膜在475 K时获得创纪录的功率因子9.5 μW·cm^-1
·K^-2
，较未处理样品提升83.5%。

3.3 热电器件验证
基于优化薄膜构建的8腿平面型TEG，在25 K温差下实现441.3 μW/cm²
的功率密度，远超同类n型Bi₂
Se₃
器件。有限元模拟显示其开路电压（U_oc
）与实验值（14.5 mV）高度吻合，证实了器件设计的可靠性。

这项研究通过"缺陷修复-晶格调控"协同策略，不仅为Bi₂
Se₃
基热电材料设立了新性能标杆，更开辟了通过后处理工艺优化薄膜性能的新范式。特别是其采用的低温溶液兼容工艺，使得该技术可直接与现有微电子制造流程对接，为开发自供能医疗传感器、柔性电子皮肤等应用提供了切实可行的材料解决方案。研究揭示的载流子-晶格协同作用机制，对其它层状热电材料的性能优化也具有重要借鉴意义。