Ti掺杂ZnO:Al薄膜结构和热电性能研究

【作者】 罗景庭； 范平； 郑壮豪； 梁广兴； 张东平； 林清云； 张妙琴；

【机构】 深圳大学物理科学与技术学院薄膜物理与应用研究所深圳市传感器技术重点实验室；

【摘要】 热电材料是一种能够实现热能和电能直接相互转换的功能材料,在温差发电和热电制冷等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景。近年来,研究发现ZnO基热电材料是中高温区热电性能最好的N型热电材料之一,通过掺杂改性有望进一步提高ZnO的热电性能。本课题组通过Ti共掺杂ZnO:Al （AZO）薄膜的方法试图提高ZnO基薄膜的热电性能。利用直流磁溅射技术制备Ti-ZnO:Al（TAZO）热电薄膜,采用XRD、SEM等手段分析薄膜的物相结构、显微组织,通过测试电导率和塞贝克系数并计算薄膜的功率因子来分析薄膜的热电性能。研究发现,Ti掺杂显著影响AZO薄膜的晶粒尺寸,随着Ti掺杂量的增加,薄膜的晶粒尺寸逐渐增大,室温下TAZO薄膜的电导率随着Ti掺杂量的增加而增大,电导率最大值达到2.52×10⁵ S/m,而不掺杂Ti的AZO薄膜电导率只有8×10⁴ S/m。室温下测试薄膜的塞贝克系数发现,Ti掺杂含量为1.8 at.%时,薄膜的塞贝克系数明显比AZO薄膜的塞贝克系数大。研究薄膜的电导率随测试温度的变化发现,薄膜的电导率随着测试温度升高而减小,表现出金属的导电特性,在547 K时,TAZO薄膜的电导率为1.5×10⁵ S/m,这比AZO薄膜的电导率高一个数量级。测量TAZO薄膜的塞贝克系数随温度的变化发现,TAZO薄膜的塞贝克系数随测量温度升高而显著增大,当测量温度为547 K时,TAZO薄膜的塞贝克系数达到99μV/K,通过塞贝克系数和电导率计算薄膜的功率因子发现,薄膜的功率因子也随测量温度升高而增大,当测量温度为547 K时,TAZO薄膜的功率因子可达1.35×10^-3 W/mK²,而不掺杂Ti的AZO薄膜的功率因子仅为7.92×10^-5 W/mK²。因此Ti掺杂AZO薄膜确实能够进一步提高其热电性能,有望制备出热电性能优良的ZnO基热电薄膜,适合于中高温领域的热电应用。更多还原