【科技前沿】量子局域复合调制掺杂实现硅基薄膜热电性能腾飞

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【编者按】为了更好地营造校园学术氛围，传播我校学术科研动态，即日起，学校在校园网开辟“科技前沿”专栏，定期总结、回顾学校师生取得的科研成果。欢迎广大师生及时把自己的学术科研成果以邮件的形式告诉我们，我们希望获得您以下成果信息：为政府、企业、媒体进行了专业咨询；科技成果通过了相关鉴定；科技成果落地、实现产业化；发表了高水平的学术论文；获得了专利授权；出版、编著了专著、教材；获得了科技奖励；在重要学术会议上进行了发言……

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背景介绍

热电(TE)能量转换效率由性能ZT=S2σT/κ决定，其中S、σ和κ分别代表赛贝克系数、电导率和导热率。目前，TE材料的κ已被证明通过纳米结构、声学支和光学支声子散射、超晶格沉淀等机制抑制到非晶相的极限，因此，实现高ZT的一个首选的策略是提升Seebeck系数，因为它与ZT是平方关系，同时还需保持一个相对高的电导率，但由于S和σ通过载流子浓度反向耦合，很难同时提高S和σ。在过去的几十年里，功率因子的(PF=S2σ)增强已经通过各种策略实现，如量子局域、调制掺杂、能量过滤效应、带结构工程、晶界修饰等。尽管理论研究表明改进PF是可能的，但迄今为止的实验普遍表明，单一的策略并不能显著提高PF。最近，Jeffrey J. Urban预测量子点混合阵列有望实现先进的TE性能，而基于硅的TE器件未来在室温区域会具有理想的ZT值（Nat.Nanotechnol.2015,10,997）。因此，能够显著提高现有量子点杂化材料性能的新方法或新策略将变得更具竞争力。此外，如果量子点能够被用于更宏观的薄膜形式，它们也可以作为能量收集的薄膜设备，为物联网(IoT)传感器提供驱动力。

基于上述研究背景，我校信息与通信学院李海鸥教授团队成员彭英博士与日本国立研究开发法人物质材料研究机构、日本名古屋大学、韩国庆熙大学等单位联合报道了“Constructed Ge Quantum Dots and Sn Precipitate SiGeSn Hybrid Film with High Thermoelectric Performance at Low Temperature Region”（低温区高热电性能锗量子点和锡颗粒混合硅锗锡薄膜的构筑）研究成果。该成果于2021年11月28日在线发表国际顶级期刊Advanced Energy Materials上（2020-2021年影响因子IF为29.4），原文链接：DOI: 10.1002/aenm.202103191https://onlinelibrary.网址未加载/doi/10.1002/aenm.202103191，这是桂林电子科技大学首次以第一作者、第一工作单位并且第一通讯单位在顶刊Advanced Energy Materials期刊上发表研究文章（Research paper）。目前该论文正在被Advanced Energy Materials期刊在线选拔，有望作为该期刊封面文章刊印。

硅锗基热电(TE)材料是众所周知的高温区热电材料，但很少涉及中低温区域的应用。本文通过超快高温退火(UHA)处理的磷离子注入SiGeSn薄膜，在Si/SiO2衬底上构建了Ge量子点(QDs)和Sn颗粒混合SiGeSn薄膜。发现该混合结构薄膜在室温区域具备超高功率因子，论文主要内容如下：

论文导读

图1硅锗锡薄膜制备流程 a.薄膜沉积,离子注入工艺；b. UHA快速退火制备工艺

图2薄膜表面形貌解析a-c.超快速退火2、5、10秒硅锗锡薄膜表面SEM图像；d.快速退火2、5、10秒硅锗锡薄膜锡、锗含量变化图；e.硅锗锡薄膜中锗量子点和锡纳米颗粒演化示意图。

图3量子点解析图，a-c.硅锗锡薄膜锗量子点TEM图像；d-e.硅锗锡薄膜中锡颗粒统计图。

图4.薄膜电输运性能和磁阻（MR）测试结果，a、b和c.电阻和测试温度对薄膜的依赖关系图;d.4K和5K磁阻拟合图，e, f.5秒UHA Si0.844Ge0.105Sn0.051样品在2-10 K下拟合的WAL。

图5.a硅锗锡薄膜载流子浓度变化图;b锗量子点能量过滤，锡颗粒调制掺杂复合效应示意图。

图6薄膜热电性能测试图，a-c。2、5、10秒UHA退火硅锗锡薄膜热电性能图;

d.量子点复合锡颗粒硅锗锡薄膜功率因子比较图。

供Advanced Energy Materials在线选拔的论文封面。

结论

本研究报道了一种基于锗量子点、锡颗粒混合纳米结构的n型高性能SiGeSn热电薄膜。结果表明：UHA处理协同离子注入过程可以制备出含有锗量子点和锡金属析出颗粒的薄膜，以及非晶混合晶相，从而获得显著的TE性能。该混合结构薄膜中，复合以Sn析出颗粒为主导的调制掺杂效应和高密度的Ge量子点产生的能量过滤效应，在保持低热导率的同时，室温条件下获得了91μWcm1K2的巨大功率因子。其中，量子点尺寸、密度和锡含量之间的相互作用是薄膜中产生巨大PF的根本原因。上述研究为能量过滤和调制掺杂效应的协同提供了一条途径，为制备具有惊人性能的TE材料提供了新的解决方案。

来源 | 校园网

责编 | 欧阳鑫

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