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β-Cu2Se/a-C和β-Cu2Se/a-SiC纳米多层薄膜的层界面散射 与热电性能

热电材料，,纳米多层薄膜,调制周期；,热电优值

摘要：热电材料具有把电能和热能直接相互转换的性能，在温差发电和电子制冷方面有着广泛的应用。热电材料的转化效率可用热电优值ZT=S²σT/κ或功率因子PF=S²σ来表征。其中S、σ、T和κ分别为Seebeck系数、电导率、工作温度和热导率。提高热电优值是目前热电材料的主要研究内容。本文利用磁控溅射技术制备了β-Cu₂Se/a-C和β-Cu₂Se/a-SiC纳米多层薄膜，并对沉积薄膜的化学成分、表面和截面形貌、相组成、原子的键合状态、载流子的传输行为和热电性能进行测量、观察和研究。结果表明，利用Cu-Se合金靶和石墨靶或SiC靶交替溅射沉积，可在室温下获得β-Cu₂Se相和非晶碳（a-C）相或非晶SiC相交替组成的纳米多层薄膜，多层膜的层界面清晰且界面结合较好，没有空洞等缺陷。XPS谱显示沉积薄膜主要含有Cu⁺¹和Se^2-价态， XRD图谱和Raman谱显示薄膜中碳以非晶碳（a-C）形式存，显示SiC是非晶相。随调制周期的减小，多层膜的载流子浓度和迁移率都减小，这彰显了层界面对载流子的散射作用；β-Cu₂Se/a-C界面处的内建电场较大，其载流子迁移率下降速率较快，但两者载流子的浓度下降规律差别不大。随调制周期的减小，电导率减小而Seebeck系数增加，进而功率因子也增加。因a-C导电性好于a-SiC，因此β-Cu₂Se/a-C的电阻率小于β-Cu₂Se/a-SiC，但前者的Seebeck系数小于后者。最终两者的功率因子比较接近。随β-Cu₂Se/a-C调制周期减小，室温热带率减小和热电优值增加。实验结果表明，制备β-Cu₂Se基纳米多层膜可调制载流子的传输和热电优值。调控多层膜的调制周期是提高薄膜材料热电优值的一个有效方法。