[发明专利]高结晶质量N型Ag掺杂PbTe基热电薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于热电薄膜制造技术领域，具体涉及一种具有(2×2)重构表面的高结晶质量N型Ag掺杂PbTe基热电薄膜的制备方法。

背景技术

随着能源环境危机的日益加剧以及人们环境保护意识的逐渐增强，适应绿色环保主题的热电材料引起研究者的浓厚兴趣。PbTe作为典型的中温区(300～900K)热电发电材料，在微电子、光电子及许多高科技领域有广泛的应用前景。目前，由于材料的能量转换效率低下(小于10％)，其商业化的应用还只局限于少数尖端科技领域。若能提高能量转换效率，PbTe基热电材料可望大规模应用于废热、工业余热、地热、太阳能等低品位热能发电，不仅可以解决石油、天然气、煤等短缺带来的能源危机，而且还可以缓解垃圾焚烧、汽车尾气排放等导致的环境污染问题。

低维化和最优掺杂技术的发展为高性能热电材料的研究开辟了新的途径，低维热电材料(如量子阱、量子点结构等)在电子和声子传输中通过量子尺寸效应为热电性能的大幅度改善提供了可能，掺杂能够调整材料载流子浓度和降低晶格热导率从而增加材料的热电性能。近年来，研究发现基于PbTe薄膜材料的量子点(如PbSe/PbTe量子点)、量子阱(如PbTe/EuTe量子阱)等低维结构的生长极大地依赖于PbTe薄膜的质量和表面结构特性。目前，高质量的PbTe薄膜均在与之晶格失配和热膨胀系数均较小的BaF₂衬底上外延生长，PbTe与BaF₂间存在的晶格失配(两者的晶格常数分别为0.6200nm和0.6462nm)致使外延的PbTe薄膜均以绕螺位错螺旋生长，存在较大的位错密度，此外，各种杂质的掺杂均可不同程度地导致PbTe薄膜结晶质量的下降，这些因素不仅导致PbTe基热电薄膜载流子的迁移率、电导率难以进一步提高，也给基于掺杂PbTe薄膜的量子点、量子阱的制备带来了困难，致使低维高性能PbTe基热电材料的制备面临了极大的挑战。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种具有(2×2)重构表面的高结晶质量N型Ag掺杂PbTe基热电薄膜的制备方法，用Ag取代了Pb的位置，作为施主掺杂，提高了载流子浓度，并通过优化制备条件，Ag的加入，使PbTe薄膜的生长模式由绕螺位错螺旋生长向层状平铺生长转变，使薄膜的位错密度大幅度降低，极大地提高了薄膜的表面平整度及结晶质量，可很好的解决掺杂导致的载流子迁移率、电导率低、薄膜结晶质量下降等问题。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种高结晶质量N型Ag掺杂PbTe基热电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)对衬底进行清洁处理；

(2)在一定的衬底温度下(350℃)，利用分子束外延法得到一定Ag掺杂量(不大于5％)的PbTe基热电薄膜。

步骤(1)中，以BaF₂为衬底，在大气下将衬底解理得到新鲜表面，再用纯净氮气对解离表面进行吹洗，然后，将衬底放入进样室以200℃烘烤40min(以去除吸附的水分子)，进样室的本底真空度小于3×10^-7Torr；然后，将衬底转移到生长室，继续加热到550℃保持10min，以对衬底进行进一步的清洁处理，其表面清洁程度可通过分子束外延设备配备的RHEED(反射高能电子衍射)来检测。

步骤(2)利用分子束外延法制备Ag掺杂PbTe基热电薄膜的过程中：分子束外延系统的生长室中配备PbTe、Te和Ag三个束源炉(纯度均不小于99.999％)；各束源炉的束流通过温度来调控(先将PbTe、Te和Ag三个束源炉分别在545℃、230℃和655～675℃下除气2分钟，再分别以540℃、225℃和650～670℃进行生长)；生长室的本底真空小于2.3×10^-9Torr；薄膜生长过程中控制衬底温度为350℃，薄膜的生长速率为1.0μm/h，薄膜厚度为1.0μm。

本发明具有以下积极有益效果：

本发明解决了N型掺杂PbTe异质生长过程中的晶体质量比较差、载流子迁移率低、电导率低的问题，可应用于低维高性能PbTe基热电材料的制备。

(1)本发明用Ag取代了Pb的位置，作为施主掺杂，提高了载流子浓度，并通过优化制备条件，Ag的加入，使PbTe薄膜的生长模式由绕螺位错螺旋生长向层状平铺生长转变(见图2)，使薄膜的位错密度大幅度降低，极大地提高了薄膜的表面平整度及结晶质量，可很好的解决掺杂导致的载流子迁移率、电导率低、薄膜结晶质量下降等问题。