高结晶质量N型Ag掺杂PbTe基热电薄膜的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有(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，Ag的掺杂量≤5％。采用分子束外延法来实现薄膜的制备，通过优化制备条件，Ag掺杂PbTe基热电薄膜可实现层状平铺生长，且表面发生的(2×2)重构，薄膜结晶质量、热电性能均优于未掺杂的PbTe热电薄膜；本发明专利技术表面(2×2)重构还可为基于PbTe薄膜材料的量子点、量子阱等低维结构的制备提供大尺度周期性晶格模板，并应用于低维高性能PbTe基热电材料的制备，以进一步提高PbTe基材料的热电性能。

Method for preparing high crystalline quality N type Ag doped PbTe base thermoelectric film

The present invention relates to a (2 x 2) preparation method of surface reconstruction with high crystal quality of N type Ag doped PbTe based thermoelectric thin films, Ag doping amount is less than or equal to 5%. To realize the film prepared by molecular beam epitaxy method, by optimizing synthesis conditions of Ag doped PbTe based thermoelectric film can realize layered tiled growth, and the surface of the (2 x 2) reconstruction, the crystalline quality and thermoelectric properties of PbTe thermoelectric films were better than that of the undoped surface; the invention (2 x 2) the reconstruction can also be quantum dot quantum well PbTe thin film material and the lower dimensional structures based on the preparation of large scale periodic lattice template, and applied to the low dimensional properties of PbTe based thermoelectric materials preparation, in order to further improve the thermoelectric properties of PbTe based materials.

【技术实现步骤摘要】
高结晶质量N型Ag掺杂PbTe基热电薄膜的制备方法
本专利技术属于热电薄膜制造
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种具有(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，本专利技术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。本专利技术具有以下积极有益效果：本专利技术解决了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)本专利技术用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。(2)本专利技术在PbTe表面发生的(2×2)重构为基于PbTe薄膜材料的量子点、量子阱的制备提供了大尺度周期性晶格模板。附图说明图1为本专利技术制备的PbTe(111):5Ag和PbTe(111)薄膜材料的X射线衍射图；图中，(a)上下分别为实施例3PbTe(111):5Ag和对比例PbTe(111)样品的X射线衍射(XRD)全谱图，(b)上下分别为实施例3PbTe(111):5Ag和对比例PbTe(111)样品来自PbTe的(111)晶面的1级衍射峰。图2为本专利技术制备的PbTe(111):0.1Ag、PbTe(111):5Ag和PbTe(111)薄膜材料的原子力显微镜图。具体实施方式下面结合具体实施例及附图对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。实施例1大气下解理BaF2单晶，得到新鲜的BaF2(111)衬底，厚度为1mm，大小为1cm×1cm。将BaF2(111)衬底放入分子束外延系统的进样室，并以200℃烘烤40分钟以去除吸附的水分子，进样室的本底真空小于3×10-7Torr。当BaF2(111)衬底转移到生长室后，继续将衬底加热到550℃保持10分钟，得到干净的BaF2(111)衬底，表面清洁程度可通过系统配备的RHEED来检测。将PbTe、Te和Ag三个束源炉分别在545℃、230℃和655℃下除气2分钟，再分别以540℃、225℃和650℃进行生长，生长过程中保持BaF2(111)衬底温度为350℃。生长室的本底真空小于2.3×10-9Torr；控制生长时间为1h，薄膜沉积速率约为1.0μm/h，薄膜厚度为1.0μm，即得到Ag掺杂量分别为0.1wt％的PbTe基热电薄膜材料，记为PbTe(111):0.1Ag。实施例2大气下解理BaF2单晶，得到新鲜的BaF2(111)衬底，厚度为1mm，大小为1cm×1cm。将BaF2(111)衬底放入分子束外延系统的进样室，并以200℃烘烤40分钟以去除吸附的水分子，进样室的本底真空小于3×10-7Torr。当BaF2(111)衬底转移到生长室后，继续将衬底加热到550℃保持10分钟，以得到干净的BaF2(111)衬底，表面清洁程度可通过系统配备的RHEED来检测。将PbTe、Te和Ag三个束源炉分别在545℃、230℃和665℃下除气2分钟后，分别以540℃、225℃和660℃进行生长，生长过程中保持BaF2(111)衬底温度为350℃。生长室的本底真空小于2.3×10-9Torr；控制生长时间为1h，薄膜沉积速率约为1.0μm/h，薄膜厚度为1.0μm，即得到Ag掺杂量分别为0.6wt％的PbTe基热电薄膜材料，记为PbTe(111):0.6Ag。实施例3大气下解理BaF2单晶，得到新鲜的BaF2(111)衬底，厚度为1mm，大小为1cm×1cm。将BaF2(111)衬底放入分子束外延系统的进样室，并以200℃烘烤4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高结晶质量N型Ag掺杂PbTe基热电薄膜的制备方法，其特征在于，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，利用分子束外延法得到一定Ag掺杂量的PbTe基热电薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种高结晶质量N型Ag掺杂PbTe基热电薄膜的制备方法，其特征在于，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，利用分子束外延法得到一定Ag掺杂量的PbTe基热电薄膜。2.根据权利要求1所述高结晶质量N型Ag掺杂PbTe基热电薄膜的制备方法，其特征在于：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，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。3.根据权利要求2所述高结晶质量N型Ag掺杂PbTe基热电薄膜的制备方法，其特征在于：衬底表面的清洁程度可通过分子束外延配备的RHEED来检测。4.根据权利要求1所述高结晶质量N型Ag掺杂PbTe基热电薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述一定的衬底温度为350℃。5.根据权利要求1所述高结晶质量N型...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴海飞，余亚东，徐珊瑚，
申请(专利权)人：绍兴文理学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33