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摘要

高性能热电材料的发展有望帮助解决未来能源危机, 且随着可穿戴器件的发展与应用, 热电材料和器件除了要具备更高的热-电转化性能以外, 还必须具有良好的柔性. 将热电材料制成薄膜既可以为微型器件供电, 也有潜力应用于柔性器件. 本文使用脉冲激光沉积方法, 在商用SrTiO ₃(STO)和La _0.3Sr _0.7Al _0.65Ta _0.35O ₃(LSAT)衬底上制备得到了不同厚度的高质量铌掺杂钛酸锶薄膜(Nb:STO), 并对薄膜的表面形貌、结构以及热电性能进行表征与测试. 结果显示, 使用LSAT作为衬底可以对薄膜施加面内压应变, 随着薄膜厚度的增大, 应变逐渐释放并接近于块体Nb:STO. 随着厚度的增大, 薄膜的热电性能逐渐提升, 在STO衬底上生长的208 nm厚样品的室温功率因子相比于52 nm样品提升了187%. 此外, 144 nm厚度的Nb:STO/LSAT薄膜室温塞贝克系数达到了265.95 μV/K, 这是由于衬底应变导致薄膜样品的能带变化. 本工作表明通过应变工程调控铌掺杂钛酸锶薄膜热电性能的可行性, 为后续提高此类薄膜材料的热电性能提供了一种新思路.

关键词:

Abstract

The development of high-performance thermoelectric materials can help solve the energy crisis in the future. Thin-film thermoelectric materials can meet the requirement for flexibility of wearable devices while supplying electrical power to them. In this study, high-quality Nb-doped SrTiO ₃films (Nb:STO) with different thickness are prepared on SrTiO ₃(STO) and La _0.3Sr _0.7Al _0.65Ta _0.35O ₃(LSAT) substrates by pulsed laser deposition. The surface morphologies, crystal structures, and thermoelectric performances of the films are characterized. The results show that the thermoelectric performance of the strain-free film increase with thickness increasing. The power factor at room temperature increases by 187%. The Seebeck coefficient of the 144 nm-thick Nb:STO/LSAT sample with strain is greatly improved to $265.95\;{\text{μ}}{\rm{V}}/{\rm{K}}$ at room temperature, which is likely to be due to the strain induced changes in the energy band of the thin film. The improvement of the thermoelectric performances of Nb:STO thin films by strain engineering provides a new approach to improving the thermoelectric properties of oxide thin films.

Keywords:

作者及机构信息

通信作者:李千,qianli_mse@tsinghua.edu.cn

基金项目:国家重点研发计划(批准号: 2020YFA0309100)和国家自然科学基金委原创探索计划(批准号: 52150092)资助的课题.

Authors and contacts

Corresponding author:Li Qian,qianli_mse@tsinghua.edu.cn

Funds:Project supported by the National Key Research and Development Program of China (Grant No. 2020YFA0309100) and the National Natural Science Foundation of China(Grant No. 52150092).

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