襯底溫度對(duì)ZnO:Al薄膜熱電性能影響的研究
本文采用直流磁控濺射的方法在透明玻璃襯底上制備摻鋁氧化鋅(ZnO：Al，AZO)薄膜，系統(tǒng)研究不同襯底溫度對(duì)AZO薄膜熱電性能特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所制備的薄膜均呈現(xiàn)出N型熱電半導(dǎo)體特性。在所制備的樣品中，當(dāng)襯底溫度為250℃時(shí)，薄膜樣品的電導(dǎo)率具有最大值，為1.35×105S/m，但該樣品的塞貝克系數(shù)較��；當(dāng)襯底溫度達(dá)到400℃時(shí)，所制得的薄膜樣品在測(cè)試溫度為503K時(shí)，塞貝克系數(shù)絕對(duì)值和功率因子達(dá)到最大，分別為96LV/K和712×10-4 W/mK2。不同襯底溫度條件下沉積的AZO薄膜均呈現(xiàn)出六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具有明顯的c軸擇優(yōu)取向，隨著襯底溫度的增加，薄膜表面顆粒致密度增加，結(jié)晶情況改善。通過(guò)表面形貌和剖面分析可知：與其他薄膜樣品相比，襯底溫度為400℃時(shí)，薄膜樣品出現(xiàn)更明顯的柱狀生長(zhǎng)趨勢(shì)，微結(jié)構(gòu)的改變可能是使該薄膜樣品熱電性能改善的重要原因之一。
隨著世界環(huán)境污染和能源危機(jī)的加劇，能源緊缺是當(dāng)今世界所面臨的重大挑戰(zhàn)，如何將低品位熱(如工業(yè)廢熱余熱、地?zé)帷⑻?yáng)能等)轉(zhuǎn)變成電能，已成為人們?cè)絹?lái)越感興趣的研究課題。熱電材料是一種利用材料內(nèi)部的載流子運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)熱能和電能之間相互轉(zhuǎn)換的功能材料，把熱能有效地轉(zhuǎn)換為電能的溫差發(fā)電技術(shù)中最為核心的材料。因此，近年來(lái)，熱電薄膜材料成為新材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
氧化鋅是一種典型的N型氧化物半導(dǎo)體，在室溫下其禁帶寬度約為3.3eV，具有較高的激子束縛能60meV。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)ZnO薄膜的研究主要集中在壓電性，透明導(dǎo)電性、光電性、氣敏性以及P型摻雜方面。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)通過(guò)在ZnO薄膜中摻入合適的元素，諸如Al、Ga或者In等，可導(dǎo)致氧空位以及Zn填隙離子的存在，使得氧化鋅基摻雜的薄膜具有較優(yōu)的導(dǎo)電性能。其中，摻鋁氧化鋅因其原料豐富、價(jià)格低廉、材料無(wú)毒、易于摻雜、制備溫度低和具有氧化物熱電材料的高溫?zé)岱�(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為了備受關(guān)注的熱電材料之一。所以，研究AZO熱電薄膜的制備技術(shù)以及制備參數(shù)等，提高其熱電性能將是今后ZnO作為熱電材料的重點(diǎn)內(nèi)容。由于目前ZnO基熱電薄膜熱導(dǎo)率本身較低，且測(cè)量困難，因此目前大部分的研究報(bào)道都以提高熱電薄膜的功率因子為目的進(jìn)行探索。如K.Park等通過(guò)添加鋁，替代(ZnO)mIn2O3中的Zn，從而提高了ZnO的熱電性能，(Zn0.992Al0.008O)mIn2O3樣品的功率因子在溫度為1073K時(shí)最大為1.67×10-3 Wm-1 K-2；Y.Inou℃等通過(guò)脈沖激光沉積的方法在室溫下制備AZO薄膜，得出在643K時(shí)，AZO樣品的塞貝克(S℃℃b℃ck)系數(shù)最大為135LV/K，此溫度下對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率和功率因子分別為1.01×10-48m和1.79×10-4W/mK2。
目前制備AZO薄膜的方法，主要包括磁控濺射、脈沖激光沉積、分子束外延化學(xué)氣相沉積、溶膠-凝膠、噴涂熱分解法等。其中磁控濺射以其沉積速率高、成膜質(zhì)量好、與襯底附著力強(qiáng)、制備成本低且適宜大面積生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，頗受人們的青睞，制備靶材可采用Zn/Al合金靶或AZO陶瓷靶。利用磁控濺射法制備AZO薄膜，襯底溫度不僅會(huì)影響到襯底表面載流子的遷移率，也會(huì)影響到薄膜的再蒸發(fā)過(guò)程，進(jìn)而影響薄膜的性能。因此研究襯底溫度對(duì)AZO薄膜的微結(jié)構(gòu)和熱電性能的影響，探索高性能AZO熱電薄膜的最佳制備工藝具有重要的科學(xué)意義。
因此，本文采用AZO陶瓷靶，用直流磁控濺射的方法在不同溫度的玻璃襯底上生長(zhǎng)AZO薄膜，通過(guò)對(duì)所制備薄膜進(jìn)行微結(jié)構(gòu)、熱電性能的檢測(cè)和分析，研究襯底溫度對(duì)所制備的AZO薄膜熱電特性影響的變化規(guī)律。
1、實(shí)驗(yàn)
采用直流磁控濺射法，在厚度為2mm、直徑為30mm的BK7玻璃基片上沉積AZO薄膜。所選用靶材為AZO(ZnO98%：Al2O32%(質(zhì)量比))陶瓷靶。實(shí)驗(yàn)前，玻璃基片在丙酮中浸泡5min，然后在無(wú)水乙醇和去離子水中各超聲清洗5min，擦洗干凈備用。開始制備AZO薄膜，抽真空直到腔內(nèi)壓力降至6.0×10-4Pa以下；通入99.99%的純氬氣工作氣體，流量為40mL/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))；通過(guò)插板閥調(diào)節(jié)濺射壓強(qiáng)為0.4Pa左右；調(diào)節(jié)濺射電壓與電流使濺射功率約為100W；為去除靶材表面的雜質(zhì)，進(jìn)行5min的預(yù)濺射；然后打開擋板開始鍍膜，濺射時(shí)間為30min；襯底溫度分別為100℃，150℃，200℃，250℃，300℃，350℃和400℃共七個(gè)樣品，標(biāo)注為B1、B2、B3、B4、B5、B6和B7。采用X射線衍射(XRD)儀、掃描電子顯微鏡(XPS)和能量色散譜(S℃M)儀測(cè)量薄膜的微結(jié)構(gòu)和成分組成；薄膜的熱電性能則采用薄膜Seebeck系數(shù)測(cè)量?jī)x(SDFP-I)以及四探針?lè)ㄟM(jìn)行表征；采用F20Film℃trics薄膜測(cè)量?jī)x測(cè)量薄膜的厚度。
3、結(jié)論
本文采用直流磁控濺射技術(shù)制備AZO熱電薄膜，研究熱電薄膜的微結(jié)構(gòu)和熱電性能隨襯底溫度的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，所制備的薄膜為N型熱電的半導(dǎo)體材料，隨著襯底溫度的升高，薄膜的熱電性能得到了一定的改善，當(dāng)襯底溫度為400℃時(shí)，薄膜樣品的Seebeck和功率因子為所有樣品中最大的。不同襯底溫度條件下沉積的AZO薄膜均具有明顯的(002)擇優(yōu)取向，ZnO薄膜均具有明顯的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)；因此，利用直流磁控濺射技術(shù)制備AZO薄膜，襯底溫度的選擇對(duì)AZO薄膜的熱電性能至關(guān)重要。
