一种高性能的氧化物超晶格室温热电薄膜器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高性能的氧化物超晶格室温热电薄膜器件及其制备方法。该器件包括衬底和生长在衬底上的由[(SrTi

【技术实现步骤摘要】
一种高性能的氧化物超晶格室温热电薄膜器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及热电
，更特别的，涉及一种高性能的氧化物超晶格室温热电薄膜器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]热电材料能够直接实现热能和电能的相互转换，同时还具有体积小、无噪音、寿命长、对环境友好等优点，在能源利用方面具有独特的优势，因此引起了人们的广泛兴趣。热电材料是一种绿色能源材料，可用于余热发电，变废为宝。
[0003]热电材料的热电性能取决于材料的电导率、塞贝克系数、热导率。高性能的热电材料，需要同时具备大的电导率，大的塞贝克系数，小的热导率。但这三个参数并不独立，是与该材料的能带结构、载流子浓度等参数相关的函数，是相互关联的。对于半导体而言，提高载流子浓度，虽然可以提高电导率，但往往会降低塞贝克系数并增加热导率，因此通常用一个无量纲数热电优值ZT来表征材料的热电性能，用公式表示为ZT＝TσS2/κ，其中σ为材料的电导率，S为塞贝克系数，κ为热导率，T为材料的温度。一般认为，当热电材料的ZT值达到1的时候，具备了实用价值，目前大规模商用热电材料的ZT值在1左右；当ZT值达到2时，可以用于汽车废热发电；当ZT值达到3时，可以用于火电厂废热发电；当ZT值达到4时，可以用于冰箱制冷。
[0004]近年来，中高温热电材料的研究取得了突破，SnSe的最大热电优值达到了3.1@783K，但室温热电材料的进展较为缓慢，最大热电优值是Bi2Te3的1.86@320K。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提出一种氧化物超晶格室温热电薄膜器件及其制备方法；本专利技术通过脉冲激光沉积法或者分子束外延法将氧化物超晶格薄膜沉积生长在衬底上获得一种热电薄膜器件，制备方法简单；本专利技术的氧化物超晶格薄膜中，声子功能层和电子功能层在空间上分开，实现了“声子玻璃、电子晶体”的理想热电材料架构，其中的声子被散射而成为热的不良导体，电子不受散射成为电的良导体；并通过衬底引入张应力，将声子软模相变温度提高到室温，通过声子拖曳效应(phonon drag effect)提高塞贝克(Seebeck)系数，进而获得的室温热电薄膜热电性能优异，在室温下的热电优值ZT达到1.92。
[0006]本专利技术提供以下技术方案。
[0007]一种高性能的氧化物超晶格室温热电薄膜器件，其包括：
[0008]衬底和生长在衬底上的氧化物超晶格薄膜，衬底为应力功能层，氧化物超晶格薄膜用(SrTi
0.8
Nb
0.2
O3)
m
/(SrTiO3)
n
]t
表示，氧化物超晶格薄膜中的声子功能层SrTiO3和电子功能层SrTi
0.8
Nb
0.2
O3在纵向分隔开，应力功能层用于将声子功能层SrTiO3的声子软模相变温度从块材的105K提高至室温。
[0009]可选的，衬底与SrTiO3晶格的失配需要在0.8
‑
1.5％之间。
[0010]可选的，所述的衬底为绝缘且热导率低的衬底，考虑到衬底与SrTiO3晶格的失配需要在0.8
‑
1.5％之间，选择DyScO3(110)、GdScO3(110)中的一种。
[0011]可选的，所述的[(SrTi
0.8
Nb
0.2
O3)
m
/(SrTiO3)
n
]t
氧化物超晶格薄膜是通过脉冲激光沉积或者分子束外延法生长在衬底上。薄膜材料厚度视其性质而定，可选的，SrTi
0.8
Nb
0.2
O3的层数m可以是1层、2层、3层、4层
……
，SrTiO3的层数n可以是1层、2层、3层、4层
……
，单层SrTiO3厚度为单层SrTi
0.8
Nb
0.2
O3的厚度为超晶格的重复周期t可以是1次、2次、3次、4次
……
；优选的，SrTi
0.8
Nb
0.2
O3的层数m是3层，SrTiO3的层数n是9层，超晶格的重复周期t是10次。
[0012]本专利技术中，氧化物超晶格薄膜最上层上方还设置保护层，保护层为m层SrTiO3。
[0013]本专利技术还提供上述的氧化物超晶格室温热电薄膜器件的制备方法，其通过脉冲激光沉积法或者分子束外延法将氧化物超晶格薄膜沉积生长在衬底上。可选的，包括以下步骤：
[0014](1)准备衬底，准备氧化物靶材SrTiO3和SrTi
0.8
Nb
0.2
O3；
[0015](2)在衬底上生长n层SrTiO3；
[0016](3)在步骤(2)得到的结构基础上，生长m层SrTi
0.8
Nb
0.2
O3；
[0017](4)以生长n层SrTiO3和m层SrTi
0.8
Nb
0.2
O3为一个超晶格的生长周期，在步骤(3)的结构基础上，生长t次；
[0018](5)在最后一个周期的m层SrTi
0.8
Nb
0.2
O3上，生长n层SrTiO3用以保护导电层，获得氧化物超晶格室温热电薄膜器件。
[0019]和现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术制备方法简单，制备的超晶格氧化物室温热电薄膜器件热电性能优异，具有高电导率、高塞贝克系数和低热导率。
附图说明
[0020]图1是按照本专利技术一实施例的高性能的氧化物超晶格室温热电薄膜器件单元示意图1。
[0021]图2是按照本专利技术一实施例的高性能的氧化物超晶格室温热电薄膜器件单元示意图2。
具体实施方式
[0022]为了使本专利技术的技术方案更加清晰，下面结合附图和实施例进一步详细说明。应当理解，以下描述的实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0023]下面介绍的是本专利技术的多个可能实施例中的一部分，旨在提供对本专利技术的基本了解，并不旨在确认本专利技术的关键或决定性的要素或限定索要保护的范围。
[0024]如图1、图2所示是按照本专利技术一实施例的可实现高性能室温热电性能的氧化物超晶格薄膜器件单元。可以通过分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)等薄膜生长方法制备形成。超晶格薄膜材料厚度视其性质而定，SrTi
0.8
Nb
0.2
O3的层数m可以是1层、2层、3层、4层
……
，SrTiO3的层数n可以是1层、2层、3层、4层
……
，超晶格的重复周期t可以是1次、2次、3次、4次
……
。所述的衬底为绝缘且热导率低的衬底，考虑到衬底与SrTiO3(晶格常数)的晶格失配需要在0.8
‑
1.5％，选择DyScO3(110)、GdScO3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能的氧化物超晶格室温热电薄膜器件，其特征在于，其包括衬底和生长在衬底上的氧化物超晶格薄膜，衬底为应力功能层，氧化物超晶格薄膜用(SrTi
0.8
Nb
0.2
O3)
m
/(SrTiO3)
n
]
t
表示，氧化物超晶格薄膜中的声子功能层SrTiO3和电子功能层SrTi
0.8
Nb
0.2
O3在纵向上分开，应力功能层用于将声子功能层SrTiO3的声子软模相变温度从块材的105K提高至室温。2.根据权利要求1所述的氧化物超晶格室温热电薄膜器件，其特征在于：应力功能层为DyScO3(110)衬底或GdScO3(110)衬底，应力功能层与SrTiO3的晶格失配在0.8
‑
1.5％之间。3.根据权利要求1所述的氧化物超晶格室温热电薄膜器件，其特征在于，一个生长周期内，电子功能层SrTi
0.8
Nb
0.2
O3的层数m是一层或多层，具备高电导率的特性。4.根据权利要求1所述的氧化物超晶格室温热电薄膜器件，其特征在于，一个生长周期内，声子功能层SrTiO3的层数n是一层或多层，具备低电导率和低热导率的特性。5.根据权利要求1所述的氧化物超晶格室温热电薄膜器件，其特征在于，氧化物超晶格薄膜中的超晶格的重复周期t是一次或多次...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷立峰，沈健，朱怡，高文萍，朱银燕，郭杭闻，王文彬，何攀，周晓东，
申请(专利权)人：上海期智研究院，
类型：发明
国别省市：