CdO薄膜的制备及其热电性能的研究

作     者：简威雄 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宁兴坤;王淑芳

授予年度：2024年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：CdO薄膜 热电效应 CdO/c-STO超晶格 CdO/a-STO超晶格 

摘      要：随着全球变暖和能源危机的问题的加剧,社会对于绿色环保能源的需求越来越迫切,而热电材料作为一种能够实现热、电能源转化的材料,因其具有无污染、结构简单、使用寿命长等优势而进入人们的视野。当前国内外有关高性能热电材料的研究主要集中在Bi2Te3、PbSe、Cu2Se等硫族金属材料上,但这些材料不具有在复杂环境下长期工作的能力,这极大减弱了热电器件本身的优势,而氧化物热电材料具有耐腐蚀、耐高温、抗氧化性强等优点,在热电领域的应用中具有较大的优势。 CdO作为氧化物热电材料的一种,其块体材料具有优异的热电性能。热电材料的薄膜化有利于提高其热电性能,而且热电器件的功率密度与特征尺寸成反比。因此,相比于三维材料,CdO薄膜在微器件、可穿戴设备和微器件透明制冷模块中具有不可替代的优势。然而,CdO等氧化物热电材料的热导率远高于其它半导体材料,使其热电优值（ZT）的提高受到限制,导致热电器件性能偏低,制约了CdO等氧化物热电技术的大规模推广和应用。在本论文中,我们利用脉冲激光沉积系统（PLD）在单晶SrTiO3（STO）衬底上外延沉积了本征CdO薄膜。在此基础上,我们进一步制备了Ag复合的CdO薄膜,优化了其热电性能。最后构建了CdO/STO超晶格薄膜,进一步降低了薄膜的热导,并利用Fuchs-Sondheimer（FS）模型拟合了热导率。主要研究内容及结论如下: 1.本征CdO薄膜的制备及其热电性能。通过控制生长温度、生长气氛和生长压强等条件制备了不同厚度的本征CdO薄膜,并利用XRD、SEM、AFM、XPS等仪器对其微观组织和电子结构进行了表征,证明我们生长出了高质量的外延CdO薄膜。随后利用塞贝克测试系统、Hall测试系统和薄膜热导仪等设备对薄膜的热电性能进行了表征,确定了CdO的最佳生长条件。在370 K时,最佳生长条件下生长的样品获得了12.3μW·cm-1·K-2的功率因子。而且所有样品在波长为560 nm以上的透过率均超过80%,表明CdO薄膜在热电性能和透光率方面的优异表现。 ***:Ag纳米复合薄膜的制备及其热电性能。由于本征CdO薄膜载流子浓度较高,这会限制其在热电领域的应用,于是我们在之前实验的基础上在CdO薄膜中复合了不同含量的Ag,并利用XRD、SEM、AFM、TEM、XPS等仪器对其微观组织和电子结构进行了表征。由于部分Ag的掺杂替代和Ag纳米颗粒的形成,我们在保持一定塞贝克系数的情况下,显著提高了电导率,我们制备的CdO:0.3%Ag复合薄膜在568 K时获得了高达26.88μW·cm-1·K-2的功率因子,这一数值是本征CdO薄膜的两倍以上。Ag纳米结构的加入同时降低了薄膜的热导,在室温下CdO:1%Ag复合薄膜样品热导率从单层CdO的4.26 W·m-1·K-1降至2.2 W·m-1·K-1,实现了电学性能和热学性能的同时优化。 ***/STO超晶格薄膜的热学性能。由于CdO晶格结构简单,载流子浓度较大,导致其热导率较大,CdO块材在室温时的热导达到了8.1 W·m-1·K-1,尽管我们将其二维化后将室温热导率降低到了2.2 W·m-1·K-1,但相对其他高性能热电材料来说依旧偏高。而超晶格结构已经被证明是降低薄膜热导的有效途径,所以,我们想要利用超晶格结构来实现其热学性能的优化。于是,我们生长了一批CdO/结晶STO([（CdO）m/（c-STO）10]15,其中m为CdO层厚度,周期为15)和CdO/非晶STO([（CdO）_n/（a-STO）_n]200/2n,其中n为CdO层和a-STO层厚度,周期为200/2n)超晶格薄膜,并对其热学性能进行了测试,面外热导测试结果显示[（CdO）m/（c-STO）10]15超晶格薄膜的面外热导率小于本征CdO薄膜的热导率,在室温下降低到3.4 W·m-1·K-1。此外,由于a-STO热导率远小于STO晶体材料,使得我们所构建的[（CdO）_n/（a-STO）_n]200/2n超晶格薄膜表现出更低的热导率,室温面外热导率降低至1.5 W·m-1·K-1,面内热导率降低至1.1 W·m-1·K-1。最后,我们对超晶格结构的导热性能进行了模拟计算,证明了界面粗糙度决定了材料的面内热导率,在这里粗糙度与声子的波长为特征尺度相比拟。对于垂直输运方向的界面,材料的面外热导率由异质结结构和界面透射率决定。