结构改变对Mg2Sn薄膜热电性能的改善

【引言】

Mg₂X（X=Si，Sn，Ge）半导体化合物及其固溶体由于其热稳定性、低成本、无毒性、地球地壳成分丰度、环境友好、低密度、同时提供N和P型导电等优点而受到越来越多的关注。目前，对Mg₂X化合物的研究大多局限于n型材料，开发p型化合物仍是一项具有挑战性的工作。

【成果介绍】

采用磁控溅射法在氩气氛中制备了Mg-Sn薄膜(21≤at. % Sn≤42.5)。薄膜的结构和形态特征是组成的函数。随着薄膜中Sn含量的增加，Mg₂Sn结构由稳定的面心立方结构转变为亚稳定的正交结构。讨论了在较广温度范围内（30-200 C），这种结构改变对温差电性能的影响。测量了薄膜载流子浓度和迁移率，以解释作为薄膜结构修饰函数的电子传输行为。当Sn含量为36at.%时，在200℃品质因数达到最大值ZT≈0.26。此时，立方和正交的Mg₂Sn结构共存。在真空 （~10^-4Pa）下，在不同温度（最高600℃）下进行退火处理，以确定薄膜结构和形态稳定性的极限。

【图文导读】

图1：用能量色散X射线能谱（EDS）测量的薄膜中Sn原子浓度随溅射功率比的变化。

图2：a）玻璃衬底上沉积的Mg-Sn镀层的x射线衍射图与Sn原子浓度的关系。在b) 2θ=34°-38°，c) 2θ=35°-50°时的放大倍数。

图3：在真空（10^-4Pa）下，将36at.%Sn沉积在玻璃基板上并在2个不同温度下退火的薄膜的X射线衍射图。

图4：在玻璃基板上沉积的Mg-Sn薄膜的SEM显微照片：顶面图像与成分。

图5：扫描电镜断面图与玻璃基板上沉积的Mg-Sn薄膜成分的关系。

图6：在真空（10^-4pa）条件下，600℃退火2小时后，在玻璃基片上沉积36at.%Sn的薄膜（a）顶面观测和（b）X射线成像。

图7：用霍尔效应测量空气中MgSn薄膜的电子输运特性。a）直流电阻率，b）载流子浓度，c）载流子迁移率与温度，d）载流子迁移率与载流子浓度。

图8：在真空（10^-4pa）下用TFA系统测量Linseis晶片上沉积薄膜的热电性能。（a）导电性，（b）Seebeck系数，（c）导热系数和（d）ZT与温度的比值。

【结论】

采用磁控共溅射法沉积得到Mg-Sn薄膜（21≤at.% Sn≤42.5）。薄膜结构受Sn原子浓度的影响。含21≤at.%Sn≤25的薄膜具有fcc-Mg₂Sn结构，第二相为Mg。后者消失，fcc-Mg₂Sn结构在30≤at. %Sn<33.5范围内保持稳定。35≤at.%Sn≤37.4的薄膜表现为立方和正交Mg₂Sn相的混合物。含37.6到38的at.%Sn的薄膜为正交Mg₂Sn结构。

对于含39.5≤at.%Sn≤42.5的涂层，具有二次相Sn的正交晶系Mg₂Sn结构共存。在真空条件下，研究了立方和正交混合相样品的热稳定性（36 at.%Sn的薄膜）。在300℃之前，混合结构保持稳定。当退火温度从350℃升高到500℃时，正交相转变为立方相，并开始形成Sn的第二相。在500℃以上，Mg₂Sn薄膜完全分解为Mg和Sn。随着正交Mg₂Sn结构的形成，ZT值较立方Mg₂Sn结构的薄膜有所提高。正交Mg₂Sn涂层的ZT值随温度的升高而增大。当立方和正交Mg₂Sn相（36at.%Sn）共存于薄膜中时，在200℃时，ZT的最高值为0.26。