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高压合成n型碲化铋基材料的载流子调控与热电性能优化

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高压合成n型碲化铋基材料的载流子调控与热电性能优化

作者：姜俊雪燕山大学

学位级别：硕士

热电材料是一种利用固体内部载流子以及声子的运动,实现热能和电能直接相互转换的功能材料。在清洁能源与制冷等领域有着十分广阔的应用前景。BiTe基合金作为室温下性能最好的热电材料,一直以来备受人们关注。近年来p型Bi2Te3基材料的... 详细信息

热电材料是一种利用固体内部载流子以及声子的运动,实现热能和电能直接相互转换的功能材料。在清洁能源与制冷等领域有着十分广阔的应用前景。BiTe基合金作为室温下性能最好的热电材料,一直以来备受人们关注。近年来p型Bi2Te3基材料的热电性能获得很大提升,相比之下,n型BiTe基热电材料的热电性能的提升较小,导致由p、n腿组合构成的热电器件的转换效率难以获得明显提升,制约了热电器件的大规模应用。因此,如何有效地改善n型BiTe基材料的热电性能成为了本文的研究重点。本文采用高压合成法合成n型BiTe基合金样品,结合对合金成分的调控以及适当的掺杂,增加声子散射的同时,调控载流子浓度,对n型BiTe基热电材料的性能进行了优化,同时与熔融法合成的相应组分n型BiTe基合金进行对比研究。在BiTe中引入Se,制备了BiTeSe合金化样品,研究了不同Se含量的BiTeSe样品中载流子浓度的变化;分别通过施主掺杂剂SbI引入I元素和受主掺杂剂Pb Te引入Pb元素对n型BiTeSe合金进行载流子调控,研究了SbI、Pb Te掺杂剂对基体性能的影响。具体工作如下:(1)分别采用熔融法和高压合成法合成BiTeSe合金,再结合放电等离子烧结技术制备了n型BiTeSe块材。通过XRD、SEM和TEM手段对样品物相结构、显微组织结构进行表征,并通过对样品的电阻率、Seebeck系数、热导率、霍尔系数的测定对样品的电、热输运特性进行研究分析。研究表明,BiTeSe与BiTe相比,由于存在合金散射,导致其具有较低的晶格热导率;在两种不同合成方法中,Se掺杂固溶对载流子呈现不同的调控规律,高压合成样品的电子浓度随着Se含量的增加而增加,熔融合成样品的电子浓度则呈现降低的变化规律。但均在Se含量x=0.3时,达到相对优化的载流子浓度。熔融合成的BiTeSe的ZT在383 K时获得最高值为0.65,比纯BiTe提高80.6%;高压合成的BiTeSe在403 K时获得最高ZT值为0.47,比纯BiTe提升147.4%。(2)分别在熔融和高压合成BiTeSe合金过程中进行SbI施主掺杂,再结合放电等离子烧结技术制备了I掺杂BiTeSe合金块材。SbI作为施主掺杂剂增大了材料的电子浓度,在适当的掺杂计量下提升了材料的功率因子;同时,异质离子I-引起的晶格畸变,增强了声子散射,有效地降低了晶格热导率。其中,SbI掺杂量为0.10 wt.%的熔融合成样品在423 K时获得最大ZT值0.75,298–543 K温度范围内的平均ZT值为0.67;掺杂量为0.03 wt.%的高压合成样品在463 K时获得最大ZT值0.60,其在298–543 K的温度范围内的平均ZT值为0.55。相比于熔融样品,高压合成样品微量的I掺杂便可引起较大的热电性能变化,展现了更为敏感的掺杂调控。(3)采用高压合成法结合球磨、放电等离子烧结技术,以Pb Te作为受主掺杂剂对BiTeSe合金进行Pb掺杂。Pb Te作为受主掺杂剂进一步优化了材料内部的载流子浓度,功率因子得到了提升,0.10 wt.%掺杂量样品在343 K时获得最大功率因子2.39 m WmK。Pb的掺杂引入合金散射,导致对声子散射作用的增强,从而降低材料的热导率。最终掺杂量为0.10 wt.%的样品在423 K时获得最大ZT值为0.81,比同温度下未掺杂样品提升了37.3%;平均ZT值为0.72,较未掺杂样品提升了35.8%。

关键词：热电材料载流子调控高压合成 I掺杂 Pb掺杂

基于载流子调控的La2-xSrxCuO4超导薄膜器件的性能研究

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基于载流子调控的La2-xSrxCuO4超导薄膜器件的性能研究

作者：张媛浙江理工大学

学位级别：硕士

利用脉冲激光沉积技术(PLD)在具有(001)取向的Nb掺杂SrTiO(NSTO)和SrTiO(STO)衬底上沉积LaSrCuO和LaSrCuO薄膜，制备了LaSrCuO/NSTO、La1.9Sr0.1CuO4/NSTO薄膜异质结构和LaSrCuO/LaSrCuO双层薄膜。利用X射线衍射(X-raydiffraction XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、低温测量系统等分析测试手段研究了异质结构和双层薄膜的表面形貌、晶体结构、电学输运特性。主要研究成果有： 1.利用PLD技术在STO(001)单晶衬底上分别沉积了LaSrCuO和LaSrCuO薄膜，研究了沉积氧分压、衬底温度、激光能量、靶基距、退火温度等沉积参数对薄膜结构和性能的影响，得到生长LSCO薄膜的最佳工艺条件。 2.在NSTO(001)衬底上分别沉积具有晶格取向的LaSrCuO和LaSrCuO薄膜，制备了LaSrCuO/NSTO和LaSrCuO/NSTO薄膜异质结构，并对这两种异质结构的电学性能进行了研究，通过对两种不同掺杂的异质结构的电学性质对比，发现这两种结构的I-V曲线均呈现一定的整流特性，但从I-V得到的V-T曲线中看到，两者的扩散势随温度变化的特性有所不同。通过分析认为在相同偏压下，超导转变对这种异质结构界面处耗尽层变化的影响引起了这两种结构性能的差异。 3.在具有不同掺杂浓度的NSTO(001)单晶衬底上沉积了LaSrCuO薄膜，研究了不同衬底对相同掺杂超导薄膜性能的影响。结果表明，由于LaSrCuO和NSTO这两种具有不同载流子类型的材料接触后，因载流子中和作用导致LaSrCuO薄膜中的载流子浓度降低，进而引起TC随衬底中Nb掺杂浓度的增大而升高，证明了载流子迁移在调控超导转变温度中起到了一定作用。 4.在STO(001)单晶衬底上沉积了LaSrCuO/La1.9Sr0.1CuO4双层薄膜，研究了双层薄膜的电学性能。研究结果发现，电场对双层薄膜的界面电输运性能有较明显的影响。双层膜的I-V曲线呈现类整流特性，表明电场能够有效调控双层膜的性质。在一定的正、负偏压下，这两层薄膜的载流子产生扩散现象，各层薄膜载流子浓度相应发生改变，薄膜TC随之改变，进而与无外加偏压时同一温度下的R-T相比，电阻相对增大或减小。这种双层结构的电阻与所加偏压的方向有密切关系，表现出类整流特性。

关键词：薄膜异质结构超导双层膜扩散势整流特性载流子调控

具有渐变量子垒的氮极性AlGaN基LED实现载流子调控和性能增强（英文）

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光子学报 2019年第7期48卷 42-53页

作者：陆义闫建昌李晓航郭亚楠吴卓辉张亮谷文王军喜李晋闽中国科学院半导体研究所半导体照明研发中心北京100083 中国科学院大学材料科学与光电技术学院北京100049 北京市第三代半导体材料及应用工程技术研究中心北京100083 阿卜杜拉国王科技大学先进半导体实验室图沃23955-6900沙特阿拉伯

为了获得高效率的AlGaN基深紫外发光二极管,提出了具有渐变量子垒的氮极性结构来调控载流子的传输.通过氮极性结构在p型电子阻挡层中形成的反向极化诱导势垒,改善空穴注入和电子泄漏问题.另外研究了不同的渐变方向和渐变程度对器件性能... 详细信息

为了获得高效率的AlGaN基深紫外发光二极管,提出了具有渐变量子垒的氮极性结构来调控载流子的传输.通过氮极性结构在p型电子阻挡层中形成的反向极化诱导势垒,改善空穴注入和电子泄漏问题.另外研究了不同的渐变方向和渐变程度对器件性能的影响.模拟结果显示,在12nm的AlGaN量子垒上沿着(000-1)方向从Al组分0.65线性渐变到0.6,可以有效平衡量子垒的势垒高度和斜率,从而极大的增强空穴注入,光输出功率相较于传统结构提高了53.6%.该设计为电子泄漏和空穴注入问题提供了直接而有效的解决方案,在实现更高效率的深紫外发光二极管方面显示出广阔的前景.

关键词：深紫外LED AlGaN 氮极性渐变量子垒载流子调控

载流子调控的ZnO-CdS异质结构光催化制氢材料研究

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载流子调控的ZnO-CdS异质结构光催化制氢材料研究

大失配、强极化第三代半导体材料体系生长动力学和载流子调控规律

第十三届全国太阳能光化学与光催化学术会议

作者：王学文彭绍琴李越湘南昌大学

＜正＞能源枯竭和环境污染是当今人类社会面临的主要问题,为了实现社会可持续发展,就需开发可循环使用的清洁能源。光催化制氢可直接将太阳能转化为氢能。目前单相半导体催化材料主要采用掺杂和晶面控制等调控其电子结构,提高光响应和... 详细信息

＜正＞能源枯竭和环境污染是当今人类社会面临的主要问题,为了实现社会可持续发展,就需开发可循环使用的清洁能源。光催化制氢可直接将太阳能转化为氢能。目前单相半导体催化材料主要采用掺杂和晶面控制等调控其电子结构,提高光响应和催化活性,但其发展受到材料本身的限制。而复合型催化材料不仅可拓展光谱响应范围,而且可通过载流子分离和转移的改善提高光催化活性。因此,我们从复合型催化材料的设计出发,以直接Z型载流子转

关键词： ZnO-CdS 光催化制氢载流子调控

来源： cnki会议评论

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发光学报 2016年第11期37卷 1305-1309页

作者：王新强黎大兵刘斌孙钱张进成北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室北京100871 发光学及应用国家重点实验室中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 南京大学电子科学与工程学院江苏省光电信息功能材料重点实验室江苏南京210093 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米器件与应用重点实验室江苏苏州215123 西安电子科技大学微电子学院宽带隙半导体技术国防重点学科实验室陕西西安710071

高质量氮化镓(Ga N)材料是发展第三代半导体光电子与微电子器件的根基。大失配、强极化和非平衡态生长是Ga N基材料及其量子结构的固有特点,对其生长动力学和载流子调控规律的研究具有重要的科学意义与实用价值,受到各国科学界与产业界... 详细信息

高质量氮化镓(Ga N)材料是发展第三代半导体光电子与微电子器件的根基。大失配、强极化和非平衡态生长是Ga N基材料及其量子结构的固有特点,对其生长动力学和载流子调控规律的研究具有重要的科学意义与实用价值,受到各国科学界与产业界广泛高度重视。本文对大失配、强极化氮化物半导体材料体系外延生长动力学和载流子调控规律进行了研究,旨在攻克蓝光发光效率限制瓶颈,突破高Al和高In氮化物材料制备难题,实现高发光效率量子阱和高迁移率异质结构,制备多波段、高效率发光器件和高频率、高耐压电子器件,实现颠覆性的技术创新和应用,带动电子材料产业转型升级。

关键词：氮化镓大失配强极化生长动力学载流子调控

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有机电致发光器件的载流子调控

中国科技信息 2008年第22期 56-56页

作者：委福祥中国矿业大学材料科学与工程学院

有机电致发光载流子调控主要是指通过改善载流子的注入和传输来获得高亮度、高效率、高稳定性的器件。目前有机电致发光器件的载流子调控主要通过修饰有机电致发光器件的电极及其界面,引入具有高载流子迁移率的材料、采用新型载流子注... 详细信息

有机电致发光载流子调控主要是指通过改善载流子的注入和传输来获得高亮度、高效率、高稳定性的器件。目前有机电致发光器件的载流子调控主要通过修饰有机电致发光器件的电极及其界面,引入具有高载流子迁移率的材料、采用新型载流子注入和传输层结构等方法来实现。

关键词：有机发光器件载流子调控迁移率

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钙钛矿太阳能电池载流子特性及输运调控

钙钛矿太阳能电池载流子特性及输运调控

量子点发光场效应晶体管器件结构设计及场致发光增强研究

第二届新型太阳能电池学术研讨会

作者：石将建吴会觉罗艳红李冬梅孟庆波中国科学院清洁能源前沿研究重点实验室新能源材料和器件北京市重点实验室中国科学院物理研究所

钙钛矿太阳能电池因其优异的材料和器件性质,吸引了众多的研究兴趣。通过在薄膜沉积、器件结构优化以及界面设计等方面的努力,目前该电池已经获得了较高的光电转化效率,具有较好的商业应用前景。同时作为亚微米尺度的光伏器件,为理解该... 详细信息

钙钛矿太阳能电池因其优异的材料和器件性质,吸引了众多的研究兴趣。通过在薄膜沉积、器件结构优化以及界面设计等方面的努力,目前该电池已经获得了较高的光电转化效率,具有较好的商业应用前景。同时作为亚微米尺度的光伏器件,为理解该器件的电荷产生、分离、输运、收集等过程,利用光物理等手段对该电池进行研究也具有重要的物理意义。通过调控太阳能电池半导体载流子性质,进而调控器件电荷输运性质是半导体光伏器件研究和设计的一般也是必要过程。基于此,我们对钙钛矿太阳能电池中吸收层薄膜的载流子浓度的以及输运性质进行了研究和调控。我们发现,在两步法沉积钙钛矿薄膜过程中,反应物CHNHI的浓度会显著影响钙钛矿薄膜的空穴浓度,进而影响TiO/CHNHPbI异质结特性和电荷输运性能。该载流子调控机制可以用图1所示的钙钛矿薄膜沉积的反应过程分析。作为三元半导体,钙钛矿CHNHPbI-3的载流子主要来自于其自掺杂。在钙钛矿的沉积过程中,Pb-I骨架结构将经历Pb-I共棱结构的打开与CHNH+离子的插入,可能是一个动力学受限过程。因此反应物的化学势对反应过程有重要影响。而反应速率等条件的改变均会影响钙钛矿的自掺杂特性,进而影响其载流子性质。我们希望对该反应过程的分析和实验研究能进一步促进从载流子和输运角度对钙钛矿电池进行调控。

关键词：钙钛矿电池载流子调控电荷输运

来源： cnki会议评论

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量子点发光场效应晶体管器件结构设计及场致发光增强研究

作者：张梦阳河南大学

学位级别：硕士

近年来,因量子点发光场效应晶体管(Quantum Dot Light-emitting Field-Effect Transistor,QLET)可集成场效应晶体管(FET)对载流子优异的电场调控及胶体量子点发光二极管(QLED)高器件效率、窄发射波长、宽光谱覆盖范围等特征于一体的优势... 详细信息

近年来,因量子点发光场效应晶体管(Quantum Dot Light-emitting Field-Effect Transistor,QLET)可集成场效应晶体管(FET)对载流子优异的电场调控及胶体量子点发光二极管(QLED)高器件效率、窄发射波长、宽光谱覆盖范围等特征于一体的优势,受到了广泛的研究与关注。发挥场效应实现“高效率发光与亮度调控集成”是QLET研究的前沿与应用的关键。但如何基于器件结构的设计与栅极形式的优化最大限度的发挥场效应,精准调控载流子的同时实现高效发光与亮度调控的集成,是目前QLET研究的热点与器件实用化的关键。本论文直接在高性能QLED匹配的功能层能级与器件工艺基础上加筑栅极,集成高质量量子点电致发光的同时,研究场效应晶体管对载流子输运的增强,提升电致发光;管控载流子输运强度,以实现亮度的精细调节,制备兼具高亮、高效及发光调控能力的QLET器件。具体而言,论文首先构筑了底栅垂直结构量子点发光场效应晶体管,研究了场效应器件在QLET中的作用及调控原理;然后,将传统顶栅或底栅结构QLET优化为环绕栅垂直结构QLET,研究了载流子聚集通道的形成与输运的提升,及发光效率与亮度的增强。该毕业论文主要内容及研究创新如下:1.底栅垂直结构QLET器件设计及光电性能调控底栅及顶栅垂直结构QLET载流子注入面积大且兼容QLED器件与工艺。本研究采用“发光区”与“栅极场效应控制区”分离的思路,通过光刻及ITO刻蚀技术制备了底部栅极垂直结构QLET器件。然后,利用场效应调控空穴注入的效率,优化量子点电致发光晶体管电子/空穴的注入比,有效抑制非辐射复合,提升器件的发光效率与亮度。最终,优化器件结构,改变场效应作用区域的占空比,实现了三基色QLET器件电致发光性能的提升,红、绿器件亮度分别提升24.41%、19.85%,达到110900cd/m、336900 cd/m,并获得了接近发光极限的外量子效率(～20%);蓝色器件亮度提升23.93%达到12480 cd/m,EQE提升19.97%达到10.39%。该项研究在高性能QLED基础上通过栅极优化空穴的注入,实现了发光性能的提升,证实了采用发光单元与场调控单元分离的思路,构筑兼具发光与效率的QLET器件的优势与价值。为扩展QLED的应用开辟了新的途径。2.环绕侧栅结构的垂直QLET载流子调控及发光增强借鉴“发光单元”与“栅极调控单元”分离的思路,首先在高性能电致发光单元(QLED)的基础上加筑侧栅电极,构筑成侧栅垂直结构QLET器件;然后,研究侧栅电极作用下载流子的聚集与输运通道的形成,及器件效率与亮度的增强物理学原理;进一步的,构筑环绕栅QLET多物理场仿真模型,揭示侧栅电场作用下载流子的分布及载流子输运与发光增强的机制;基于上述器件、理论、模拟,将侧栅扩展为环绕栅,构筑栅极-漏极连通的环绕栅QLET器件,实现发光效率与器件亮度的增强,其中,红、绿、蓝QLET器件外量子效率(EQE)分别提升27%、53.9%、37.6%,达到14.32%、11.93%、8.75%,器件亮度分别提升37.5%、22.8%、41%,达到41900 cd/m、180800cd/m、6324 cd/m。

关键词：量子点发光二极管量子点发光场效应晶体管载流子调控亮度增强

Bi2Te3基热电材料的制备及性能调控的研究

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Bi2Te3基热电材料的制备及性能调控的研究

作者：李淑瑶河南大学

学位级别：硕士

由于化石燃料的燃烧造成的资源短缺和环境污染,使得人类对清洁能源的需求尤为迫切。热电材料作为一种清洁、安全、稳定、无污染的绿色能源材料,因其能够实现热能与电能的直接相互转换而备受关注。BiTe基材料是一种近室温热电材料,也是... 详细信息

由于化石燃料的燃烧造成的资源短缺和环境污染,使得人类对清洁能源的需求尤为迫切。热电材料作为一种清洁、安全、稳定、无污染的绿色能源材料,因其能够实现热能与电能的直接相互转换而备受关注。BiTe基材料是一种近室温热电材料,也是目前唯一商业化应用的热电材料。本文主要研究了Sb合金化的P型BiSbTe材料,由于它在近室温附近的ZT值约为1.0,在热电制冷和热电发电领域都具有广阔的应用前景,所以备受研究者的青睐。然而,BiSbTe材料是一种窄带隙半导体,带隙仅为0.17 e V。这使得它在较高温度下的双极化效应显著,导致热电性能显著恶化,严重阻碍了该材料大范围的商业化应用。因此,如何拓宽材料的应用温度区间以及进一步提高热电优值ZT成为了目前亟待解决的问题。针对该问题,我们通过载流子调控、缺陷工程以及纳米结构的构造等手段来优化BiSbTe材料的热电性能。具体研究工作如下:1.众所周知,元素掺杂可以调控载流子浓度并向基体中引入缺陷。通过阅读文献,我们发现稀土元素作为有效的掺杂剂可以显著提升材料的热电性能,而且相关的研究很少。因此,我们选择了稀土元素Er作为掺杂剂,探究了它对BiSbTe材料热电性能的影响。由于稀土元素Er在基体中溶解度很小并且在高能球磨中发生了团聚,导致二次相Er纳米沉淀生成。有趣的是,Er纳米颗粒团聚形成的微观结构与基体的层状结构不匹配,从而在其周围产生了孔洞,使得BiSbTe材料形成了多孔结构。通过SEM可以观察到这些现象。值得注意的是,微量分散的Er纳米颗粒并不会对材料的结构产生影响。元素Er掺杂抑制了Te空位和Bi 反位缺陷的生成,从而降低了空穴载流子浓度。同时,生成的纳米沉淀以及孔洞增强了声子散射,显著降低了晶格热导率,从而优化了BiSbTe材料的热输运性能。最终,在载流子浓度调节,纳米沉淀以及孔洞对热电性能的协同影响下,最优掺杂浓度为x=0.02的样品在350 K时获得了较高的ZT值1.21。2.特殊纳米结构的构造被认为是提高材料热电性能的有效方法,而且向基体中掺杂合金也是一种改善材料性能的有效手段。通过阅读文献可知,处于亚稳态的三元相由于不稳定易分解的特性会促进基体形成特殊的纳米结构。众所周知,Ag、Cu、Te元素均会对BiSbTe材料的热电性能产生有利的影响。结合这两方面的因素,我们制备了亚稳态三元相Ag Cu Te并掺杂到BiSbTe中。由于Ag Cu Te在室温下不稳定,总是存在少量的二次相CuTe和AgTe。同时,Ag和Cu的原子半径比较小更容易进入晶格位置从而发生取代,导致载流子浓度显著增加,实现了载流子调控,优化了材料的电输运性能。由于Ag进入晶格位置导致基体中的Te过量并沿着结晶能最小的方向自组装生成了三维花状枝晶和微球形絮状晶。此外,Ag Cu Te、CuTe和AgTe都具有相对较大的带隙,有效改善了BiSbTe材料的有效带隙。通过掺杂亚稳态三元相Ag Cu Te也向基体中引入了大量的晶格缺陷,从而显著改善了材料的热输运性能。最终,在425 K时,最优掺杂样品BiSbTe-0.1 wt%AgCuTe获得了一个较高的ZT值1.46。3.通过文献调研发现,纳米孔结构有利于改善材料的热电性能。众所周知,S元素的升华点较低,可以作为制孔剂。因此,在材料的制备中,部分S将会升华并在基体中留下纳米孔,另一部分S可能掺杂到晶格中实现等电原子取代。由此可知,S元素具有向基体中引入纳米孔以及引入点缺陷的潜力。同时,Ag原子的原子半径比较小,更容易进入晶格位置,从而起到对载流子浓度的调控作用。基于Ag和S元素的有利影响,我们制备了AgS化合物并掺杂到了BiSbTe材料中,实验结果符合预期。由于部分S元素的升华向基体中引入了纳米孔,形成了纳米孔结构。同时,Ag的存在也有效地调节了载流子浓度。此外,通过AgS掺杂也向基体中引入了多尺度的晶格缺陷,从而实现了较宽频率范围内的声子散射,显著降低了晶格热导率。最终,在325 K时,BiSbTe-0.3 wt%AgS样品获得了优异的热电性能,ZT值达到1.30。

关键词： Bi0.46Sb1.54Te3 热电性能掺杂载流子调控纳米结构