ZnSnN2薄膜本征缺陷诱导共振能级增强热电性能的机理研究

本研究通过调控ZnSnN2薄膜的本征点缺陷（SnZn反位缺陷和N空位），首次实现导带内共振能级（Resonant States）的本征诱导，获得1 mW/m K2的功率因子（Power Factor），为地球丰度材料的热电性能优化提供了新策略。

　　

热电材料能将废热转化为电能，是解决能源危机的潜在方案，但其应用长期受限于材料效率与成本。传统热电材料如Bi₂Te₃虽性能优异，但存在毒性高、储量少等问题。ZnSnN₂作为地球丰度材料，虽具备环境友好特性，但其热电性能仍需提升。目前，通过共振能级（Resonant Levels）调控可显著改善热电参数，但常规方法依赖外来杂质掺杂，工艺复杂且可控性差。

为突破这一瓶颈，国内某研究机构（需补充具体机构名称）的N.A. Muhammed Sabeer团队在《Materials Research Bulletin》发表研究，创新性地利用本征点缺陷在ZnSnN₂导带中构建共振能级。研究人员通过反应性射频磁控溅射技术，精确调控氮分压（1×10^?2至3×10^?2 mbar）诱导氮空位（N_V）和Sn_Zn反位缺陷，结合霍尔效应、X射线衍射（XRD）和塞贝克系数测试，系统分析了缺陷对热电性能的影响。

主要技术方法

1. 薄膜制备：采用Zn_0.6Sn_0.4靶材，通过氮/氩混合等离子体溅射沉积600 nm薄膜；
2. 缺陷调控：通过氮分压变化调节N_V浓度；
3. 性能表征：结合AFM测厚度，EDX分析组分，紫外可见光谱测带隙；
4. 器件集成：构建ZnSnN₂/NiO薄膜热电发电机（TEG）。

研究结果

1. 结构特性：XRD显示薄膜呈正交Pna2₁结构，降低氮压可提升结晶度；
2. 缺陷机制：EDX证实氮压从3×10^?2降至1×10^?2 mbar时，N/(Zn+Sn)比从1.0降至0.8，诱导N_V主导的共振能级；
3. 热电性能：最优样品（1×10^?2 mbar）在300°C下获得-145 μV/K的Seebeck系数和1 mW/m K²的功率因子，较未调控样品提升2个数量级；
4. 器件验证：TEG在200°C温差下输出665 nW功率，开路电压72 mV。

结论与意义
该研究首次证明通过本征缺陷（而非外来掺杂）可在ZnSnN₂中构建共振能级，其双重作用机制——通过DOS峰提升有效质量、通过能量选择性散射过滤低能载流子——显著增强Seebeck系数。尽管NiO的电阻特性限制了TEG输出功率，但本工作为地球丰度材料的热电优化提供了新范式，其缺陷化学调控策略可推广至其他半导体体系。未来通过优化p型材料或缺陷工程，有望实现更高性能的环保型热电器件。