掺杂SnS薄膜的电沉积制备及其热电性能的研究

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热电材料因存在塞贝克效应,可以制成一种能量转换装置将废热再利用,转换为电能。SnS具有和SnSe相似的正交晶体结构,因此在与SnSe相似的择优取向上应该具有与之类似的优异的热电性能。本文通过在SnS掺杂金属元素,提高SnS结构中的载流子浓度、降低电阻率从而在SnS择优的取向上进一步提高热电性能。本文用恒电位电沉积方法得到SnS薄膜,探索了制备过程中的电沉积参数、镀液条件,通过加入添加剂制得具有不同织构的SnS。通过添加金属盐参与电沉积,得到不同金属掺杂量的SnS薄膜,研究了掺杂金属对SnS热电性能的影响,进一步优化掺杂SnS薄膜的择优取向,并对金属掺杂且有织构的SnS薄膜比较分析热电性能。取得的主要研究成果为:(1)在优化的电沉积条件下制得了 p型SnS薄膜。SnS薄膜优化后,结构可控,通过使用添加剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和尿素分别使SnS在(200)、(040)方向上择优生长,得到了T(200)=2.32的(200)-SnS择优取向薄膜,和T(040)=2.73的(040)-SnS择优取向薄膜。最后在(200)方向的织构具有最低电阻率,为SnS的54%,其原因在于,(200)方向的择优取向降低了载流子的散射,提高了迁移率。(2)通过在SnS薄膜中掺杂金属元素进一步降低SnS薄膜的电阻率。用电沉积方法制备了 Al掺杂SnS薄膜,得到了不同Al含量的p型Al-SnS掺杂薄膜。用电沉积方法制备了 Cu掺杂SnS薄膜,可得到不同Cu含量的Cu-SnS掺杂薄膜。实现了掺杂含量可控制,且掺杂没有改变SnS薄膜的相结构。掺杂薄膜中,0.5~1.0%Cu-SnS测得最低电阻率,为SnS的26%,虽然迁移率略有降低,其主要原因在于载流子浓度的较大提高。Cu-SnS中Cu接受电子增加了SnS薄膜中空穴,提供了受主能级,降低了 SnS的带隙,最终提高了载流子浓度。(3)在掺杂SnS薄膜的基础上,实现了掺杂SnS织构的控制。通过使用添加剂十六烷基三甲基溴化铵和尿素分别促进Al-SnS在(200)、(040)方向上择优生长,得到了 T(200)=4.53的(200)-Al-SnS择优取向薄膜,和T(040)=5.76的(040)-Al-SnS择优取向薄膜。通过使用添加剂十六烷基三甲基溴化铵和尿素分别促进Cu-SnS在(200)、(040)方向上择优生长,得到了T(200)3.93 的(200)-Cu-SnS 择优取向薄膜,和T(040)=3.85 的(040)-Cu-SnS 择优取向薄膜。最后在(200)-Cu-SnS薄膜中测得最低电阻率,为SnS的7.6%,虽然迁移率略有降低,其主要原因在于载流子浓度提高了 102倍。降低了载流子的散射和SnS的带隙,最终提高了载流子浓度,降低了电阻率。
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