Si 微/纳米带的制备与热电性能*

魏江涛 杨亮亮 魏磊 秦源浩 宋培帅 张明亮 杨富华 王晓东3)4)†

1)(中国科学院半导体研究所,半导体集成技术工程研究中心,北京 100083)

2)(中国科学院大学微电子学院,材料与光电研究中心,北京 100049)

3)(北京量子信息科学研究院,北京 100193)

4)(北京市半导体微纳集成工程技术研究中心,北京 100083)

目前,低维材料是热电领域研究的热点,因为块体材料低维化后热电性能会得到显著的改善.块体材料低维化有很多方法,本文基于半导体微加工和聚焦离子束技术制备了尺寸可控的Si 微/纳米带,并通过微悬空结构详细研究了不同尺寸Si 微/纳米带的热电性能.实验发现:随着Si 微/纳米带宽度的减小,材料的热导率发生了显著的降低,从体硅的148 W/(m·K)降低到17.75 W/(m·K)(800 nm);材料的Seebeck 系数低于相应的体Si 值.热导率的降低主要来源于声子边界散射的增加,这显著抑制了Si 材料中声子的传输行为,从而影响热能的传输和转换.在373 K 时,800 nm 宽的Si 微/纳米带的ZT 值约达到了0.056,与体硅相比增大了约6 倍.聚焦离子束加工技术为将来Si 材料提高热电性能提供了新的制备方案,这种技术也可以应用于其他材料低维化的制备.

1 引 言

热电(thermoelectric,TE)材料可以有效将热能直接转化为电能,也可以通过电流用来对指定区域制冷.热电器件具有无噪声、无振动、可靠性高、能够长期稳定工作和尺寸灵活的独特优点[1,2].热电材料的性能通常由无量纲的热电优值ZT来描述,ZT=S2σT/κ,其中S,σ,κ和T分别为塞贝克系数、电导率、热导率和绝对温度[3].最大化ZT值是困难……