各向异性对高取向Bi2Te3电沉积薄膜热电性能的影响

【引言】

由于开发替代能源的必要性，相比于那些依赖化石燃料的能源，热电材料已经引起了人们的极大关注。Bi₂Te₃基合金就是一种热电材料，非常适合在室温至100℃的温度范围内工作。Antonova等人的工作中，强调了平行和垂直于C轴的单晶体碲化铋的室温各向异性热电性能。因此，可以利用Bi2Te3薄膜的各向异性特性来获得性能。

【成果介绍】

Cristina V. Manzano等人采用脉冲电沉积法，制备了沿[110]晶相的高取向Bi₂Te₃薄膜。对这些薄膜的结构、组成和形貌进行了表征。通过使用商用LSR-3 Linseis系统测量塞贝克系数、各方向的电导率和热导率，确定了平行和垂直于衬底表面的热电性能品质因数（zT）。在300K时，Bi₂Te₃薄膜的面内和面外品质因数分别为（5.6±1.2）·10^-2和（10.4±2.6）·10^-2。

【图文导读】

图1：（A）Bi₂Te₃的晶体结构。（B）在本工作中测量的电沉积膜的方向。

图2： Bi₂Te₃脉冲电沉积薄膜的X射线衍射图。衍射图y轴使用对数标尺，以强调薄膜中没有其他方向。

图3：Bi₂Te₃薄膜的SEM图像。（A）俯视图，（B）横截面。

图4：面内测量电阻率、塞贝克系数和功率因数随温度的变化。

图5：室温下的面外塞贝克系数。（a）塞贝克系数分布，和（b）由商业系统塞贝克微探针测量的塞贝克系数图。

图6：平面外导电设置方案。

【结论】

通过改变生长周期中无电流部分的持续时间得到了脉冲电流，再利用脉冲电沉积工艺得到沿[110]方向高取向的Bi₂Te₃薄膜。在300 K时，平面内的品质因数约为（5.6±1.2）·10^-2，而平面外的品质因数为（10.4±2.6）·10^-2。通过这些测量，揭示了Bi₂Te₃电沉积薄膜的电、热导率各向异性和塞贝克系数各向同性。垂直于c轴的电导率几乎是平行于c轴的电导率的5（4.8）倍。垂直于c轴的塞贝克系数在沿c轴的塞贝克系数的实验不确定度范围内，表明电沉积膜的该特性具有各向同性。从平面内到平面外的导热率增加了两倍。由300K时的面内和面外测量值，分别得到zT_{// c} =（5.6±1.2）·10^-2和zT_⊥c =(10.4±2.6) ·10^-2的品质因数，从而使面内和面外热电性能增加了1.8倍。