一种GST(GeTe/Sb2Te3)量子阱热电薄膜及其制备方法及用途技术

本发明专利技术公开了一种GST(GeTe/Sb2Te3)量子阱热电薄膜及其制备方法及用途，以纯度为99.99％的GeTe和Sb2Te3靶材为原料，采用磁控交替溅射的方法，在Si片和石英衬底上制备得到，薄膜化学式为(GeTe)

【技术实现步骤摘要】
一种GST(GeTe/Sb2Te3)量子阱热电薄膜及其制备方法及用途


[0001]本专利技术涉及热电多层薄膜、制备方法及用途，特别涉及一种GST(GeTe/Sb2Te3)量子阱热电薄膜及其制备方法及用途。

技术介绍

[0002]传统的煤炭，化石燃料燃烧已经造成了生态环境的严重破坏，并且其能源转换效率低下，需要消耗更多的能源。热电材料作为一种热能和电能相互转换的绿色新型环保能源材料，具有更大的市场前景。热电材料器件能将热能有效的转换为电能，这对于发电和能量储存起到很关键的作用，成为了近十年来研究热点。热电材料的种类很多，涉及半导体化合物、陶瓷、块体合金、超晶格、纳米点、纳米线、复合材料等。热电器件具有发电和制冷的两个基本功能，主要通过Seebeck效应与Peltier效应来实现热能与电能互相转变。热电器件具有无噪声、体积小、精确度高、使用时间长等优点，因此被广泛应用于航空航天，电子芯片，能源存储等领域。
[0003]衡量热电材料性能主要通过一个无量纲的ZT值来表征，其中ZT＝S2σT/κ，其中S为塞贝克系数，σ为电导率，T为绝对温度，κ为热导率。
[0004]GeTe和Sb2Te3是窄带隙半导体材料，具有较大的电传导、小的能带间隙以及较大的有效质量，但单纯的制备相应体系的块体和薄膜的热电性能仍不能满足热电器件的需求。而现有的技术制备热电薄膜主要通过掺杂来进行薄膜改性，热电优值的提高有限。因此，本专利技术通过合理选择分层膜厚以及亚层膜厚比率，对GeTe和Sb2Te3二维材料进行多层往复叠加，即构造量子阱，有效增加界面散射，从而降低材料的热导率，期望实现热电性能的提高，使其更容易制备微型热电器件。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种热电性能较好的GST(GeTe/Sb2Te3)量子阱热电薄膜。
[0006]本专利技术的另一目的是提供所述热电性能较好的GST(GeTe/Sb2Te3)量子阱热电薄膜的制备方法。本专利技术提供的量子阱分层膜厚和亚层膜厚的合理选择方案，增加了膜界面散射，提高了热电优值(ZT)。
[0007]技术方案：本专利技术所述的GST(GeTe/Sb2Te3)量子阱热电薄膜，以纯度为99.99％的GeTe和Sb2Te3靶材为原料，采用磁控交替溅射的方法，在Si片和石英衬底上制备得到，薄膜化学式为(GeTe)
x
(Sb2Te3)1‑
x
，(0.5＜x＜1)。
[0008]根据GeTe和Sb2Te3薄膜的材料和热电特性，推导量子阱中合理的分层膜厚选择，Sb2Te3作为势阱层的厚度范围选择在3～7nm，GeTe作为势垒层的厚度范围在5～20nm；其中t
Sb2Te3
/t
GeTe
亚层膜厚比率选择范围为在1∶1～1∶5，同时程序控制磁控交替溅射的方式在Si和石英衬底上制备GST(GeTe/Sb2Te3)量子阱热电薄膜，薄膜的化学式为(GeTe)
x
(Sb2Te3)1‑
x
，(0.5＜x＜1)。量子阱热电薄膜分为单周期和多周期两种，薄膜总厚度在5～50nm，该条件下
制备的多量子阱薄膜热电性能最佳。制备过程中的退火温度控制在300～500℃。
[0009]所述的GST(GeTe/Sb2Te3)量子阱热电薄膜的制备方法，包括步骤如下：
[0010](1)采用磁控溅射工艺制备GST(GeTe/Sb2Te3)量子阱，选用纯度为99.95％的GeTe靶材和99.95％的Sb2Te3靶材作为原料；
[0011](2)按照GST(GeTe/Sb2Te3)热电量子阱膜厚的选择设置磁控溅射参数；
[0012](3)采用交替沉积磁控溅射制备GST(GeTe/Sb2Te3)热电量子阱；
[0013](4)确定亚层膜厚比率和分层膜厚选择；
[0014](5)将共沉积好的薄膜进行热处理，得到GST(GeTe/Sb2Te3)热电量子阱。
[0015]进一步地，溅射系统Ar气流量范围为10～30sccm。溅射系统本底真空度的范围为5.5～9.5
×
10
‑5pa，溅射气压控制在0.3～0.8Pa。
[0016]所述的GST(GeTe/Sb2Te3)量子阱热电薄膜应用于微型热电器件。
[0017]本专利技术的制备方法通过磁控溅射制备的量子阱材料可以有效保障薄膜重要的膜基结合力，便于材料的稳定使用。该技术通过分层引入，增加多周期，来有效降低材料的热导率，从而提高ZT。传统的单层热电薄膜通过掺杂改性来实现热电性能的改善，然而热电性能改善不明显，本项技术通过合理的选择量子阱中的分层膜厚和亚层膜厚比率，来有效调节热电性能，在制样前给出合理的ZT评估；同时采用磁控溅射制备工艺，来实现量子阱的制备，其通过增加界面来合理降低材料整体的热导率，并且制备简单，易于技术实现，能有效应用于微型热电器件。
[0018]以下为GST(GeTe/Sb2Te3)量子阱热电薄膜的膜厚选择方法的优选方案，具体包括如下步骤：
[0019](1)GeTe作为势垒层最佳膜厚选择步骤
[0020]A、选择纯度为99.99％的GeTe靶材作为原料，分别置于磁控溅射系统的工位靶材架上；
[0021]B、选择合适的溅射参数，其中包括气体流量中Ar气体流量为20sccm，并维持溅射系统的本底真空度为6.0～9.5
×
10
‑5Pa，溅射气压选定为0.5～1Pa。
[0022]C、设置GeTe靶材的溅射功率为50～70W，在Si衬底上沉积GeTe薄膜；
[0023]D、选择真空退火工艺，退火温度为250～300℃，退火为10～15min。
[0024]E、测量GeTe的热电参数，GeTe的势垒能量(V)为0.5～0.6eV，载流子有效质量(m*)为1.5～2m
e
，m
e
为室温下电子的有效质量(9.10956x10
‑
31
Kg)，E为室温下电子的电势，h为普朗克常量，t为GeTe势垒层的厚度。同时带入公式计算GeTe传输系数(T
r
)与GeTe势垒层厚度的关系，如下列关系式；
[0025][0026]确定最佳GeTe厚度选择，在5.5nm以上可以保持低的传输系数，厚度范围选择在5～20nm范围；
[0027]Sb2Te3作为势阱层最佳膜厚选择
[0028]A、选择纯度为99.99％的Sb2Te3靶材作为原料，分别置于磁控溅射系统的工位靶材架上；
[0029]B、选择合适的溅射参数，其中包括气体流量中Ar气体流量为20sccm，并维持溅射
系统的本底真空度为6.0～9.5
×
10
‑5Pa，溅射气压选定为0.5Pa。
[0030]C、设置Sb2Te3靶材的溅射功率为60W，在Si衬底上沉积Sb2Te3薄膜；
[0031]D、选本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GST(GeTe/Sb2Te3)量子阱热电薄膜，其特征在于：以纯度为99.99％的GeTe和Sb2Te3靶材为原料，采用磁控交替溅射的方法，在Si片和石英衬底上制备得到，薄膜化学式为(GeTe)
x
(Sb2Te3)1‑
x
，(0.5＜x＜1)。2.根据权利要求1所述的GST(GeTe/Sb2Te3)量子阱热电薄膜，其特征在于：t
Sb2Te3
/t
GeTe
亚层膜厚比率的范围应控制在1∶1～1∶5。3.根据权利要求1所述的GST(GeTe/Sb2Te3)量子阱热电薄膜，其特征在于：GeTe和Sb2Te3的膜厚分别为5～20和3～7nm。4.根据权利要求1所述的GST(GeTe/Sb2Te3)量子阱热电薄膜，其特征在于：制备过程中的退火温度控制在300～500℃。5.根据权利要求1所述的GST(GeTe/Sb2Te3)量子阱热电薄膜，其特征在于：分为单周期和多周期。6.权利要求1～5任一项所述的GST(GeTe/Sb2Te3...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰睿，缪家乐，王鹏飞，周鹏，钱栋杰，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：