物理所低維半導體納米材料的結構與熱電特性研究取得進展

2020-12-01 中國科學院

低維半導體納米材料是未來納電子器件的基本組成單元，在電子、熱電、光電乃至能源等領域都有重要的應用。在過去的幾年中，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）高鴻鈞研究組在新型硼低維納米材料的製備、性質和應用方面開展系統研究，取得許多有意義的成果【Adv. Funct. Mater. 20,1994(2010)； Nanotechnology 21,325705(2010)；Appl. Phys. Lett. 100, 103112 (2012) ；Nano Res. 5, 896(2012)】。在此基礎上，該研究組與美國Case Western大學高宣教授和新加坡國立大學Andrea Wee教授領導的研究組合作，在低維半導體納米材料的結構與熱電性質上取得新進展。

1. 在過去的五十年間，熱電材料由於其能夠實現熱電之間的相互轉換而備受關注，但從第一種固態半導體熱電材料Bi2Te3發現至今，室溫下的熱電轉換率也僅僅是從0.6提升到了1.0。不同溫度下的熱電的轉換效率是由品質因子Z（Figure of merit）來描述的，Z=S2σT/k，其中S為賽貝克係數（Seebeck coefficient）或熱電勢（thermopower），σ為電導率，k為熱導率。S必須要儘量大到在較小的溫度差下產生較大的電勢，σ也要足夠大以減少焦耳熱的損失，而 k要足夠小來降低熱滲漏和維持溫度差，且這三個參數並不是獨立無關聯的，改變其中任何一個都會同時影響到另外兩個，因此想要提高熱電轉換效率十分困難。近年來，隨著人們將目光轉投到包括傳統熱電材料Bi2Te3/ Sb2Te3的超晶格結構、碳納米管CNT、Bi納米線以及PbSeTe/PbTe量子點超晶格等低維納米材料上，關於熱電轉換效率的研究才取得了較大的突破。目前提高熱電轉換效率主要採用以下兩條途徑：1）通過尺寸效應減小材料的熱導率k中的晶格散射部分，目前低維尺寸下熱電材料性質的研究主要集中在此。2）通過量子限制效應增強低溫體系中的態密度來提高功率因子S2σ。早在1993年，M. S. Dresselhaus就給出了通過量子限制效應在低維（一維、零維）體系中獲得較高的態密度從而增強熱電勢的理論預計，之後人們陸續發展了這一理論。然而，實驗上通過調節費米面位置以匹配態密度峰值控制材料熱電性質的工作卻很少，取得的調製效果也較為不明顯，如CNT庫倫阻塞區和PbSe納米線無一維態密度峰值效應等。

高鴻鈞研究組的博士生田園等通過砷化銦納米線熱電性質的柵壓調控研究，首次在實驗上實現了一維半導體材料熱電性質的調節和增強。由於砷化銦具有很高的載流子遷移率和較小的電子有效質量，既保證了較大的電導率又意味著其具有較大的能級間隔，為在不同子能帶間調節費米面位置並最終達到調控熱電性質的目的提供了有力的保證。他們的實驗結果顯示：在低溫（100K以下）時，熱電勢與功率因子大小隨柵壓變化發生振蕩，其峰值與一維態密度相關。在較高溫度（100K以上）時，散射造成的能級展寬對功率因子也有影響。這一工作不僅證明了在一維納米結構中利用費米面匹配態密度峰值調節熱電性質這一理論預計的可行性，同時還指出通過降低散射減小能級展寬有利於提高準一維納米結構在實際溫度下的熱電性質。這對今後納米尺度和低維受限體系中的熱電工程設計及熱電性質探索有著重要的作用。相關結果發表在Nano Lett. 12，6492（2012）上。

2. 在低維半導體納米材料的結構研究方面，該研究組的博士後孫家濤博士等研究了在SiC(0001)表面上生長Bi(110)納米帶。在半導體Si襯底上生長的Bi薄膜由於薄膜、襯底間較強的相互作用及晶格失配，一般存在一定厚度的浸潤層（wetting layer），因此關於Bi薄膜的初期生長機制也是有爭議的。掃描隧道顯微鏡實驗發現，生長的Bi(110)納米帶的厚度是4層，表明Bi與襯底的相互作用比較弱且並沒有存在緩衝層。他們報導了可採用弱相互作用襯底生長Bi納米帶，並對在該納米帶表面發現的跟體相截然不同的幾何結構和電子結構作出了解釋，這對於認識單質Bi的初期生長、理解其電子結構以及實現基於單質Bi的電子器件都具有重要意義。相關結果發表在Phys. Rev. Lett. 109, 246804 (2012)。

以上研究工作得到了國家自然科學基金、科技部「973」項目和中國科學院的支持。

圖1. 砷化銦納米線熱電測量器件示意圖與室溫輸運行為。（a）納米線熱電測量器件示意圖與對應的SEM圖，測量電極TM1和TM2同時還作為溫度計校準加熱電極Ih在納米線兩端造成的溫度差ΔT。（b）納米線兩端的熱電勢與造成溫度差ΔT的加熱功率P成正比。（c）砷化銦納米線的電導（紅）和熱電勢（黑）於柵壓的依賴關係；插圖為（a）圖中的SEM的放大圖，可以看出TM1和TM2電極中由單根的砷化銦納米線連接，圖中的標尺為2mm。

圖2. 不同溫度下柵壓的對砷化銦納米線（直徑為23nm）的電導和熱電勢的調控作用。（a）300-40K範圍內柵壓對納米線電導的調控作用；100K以下時電導曲線的臺階式變化源於電子對一維子能帶的填充。（b）40K時電導隨柵壓變化實驗曲線（空心圓圈）和僅考慮熱展寬（點劃線）、同時考慮熱展寬與散射展寬（實線）下的一維子能帶填充模擬計算曲線的對比。（c）100，70，40K下柵壓對熱電勢S的調控作用，垂直的虛線有助於觀察一維子能帶開始填充時造成的對應熱電勢峰值。（d）態密度與納米線中一維電子濃度的依賴關係。

圖3. 40K時熱電勢S（藍色），電導G（紅色）和電導變化dG/GdVg（紫紅色）對柵壓的依賴關係，表明熱電勢的振蕩與電導的臺階式變化都是砷化銦納米線中電子填充一維子能帶造成的。

圖4. 40-300K範圍內，一維限制效應對砷化銦納米線功率因子的影響。（a-d）300，100，70和40K時，砷化銦納米線（直徑23nm）柵壓調控的功率因子σS2與一維電子濃度（下軸）和等價電子體濃度（上軸）的依賴關係。100K以下時，一維子能帶填充的效應開始較為明顯。（e）直徑23納米的圓柱形砷化銦納米線的功率因子與電子濃度關係，其中弛豫時間近似為 τ~E-1/2。不同的曲線來源於是否計入散射對能級展寬的影響。

相關焦點

  • 物理學院在拓撲絕緣體納米材料的光熱電效應研究方面取得系列新進展
    拓撲絕緣體的材料製備和量子輸運特性是近年來國際研究前沿的一個熱點。在眾多拓撲絕緣體材料中，Bi2Se3是拓撲絕緣體家族中一種重要的三維強拓撲絕緣體。拓撲絕緣體納米結構因其巨大的比表面積和增強的表面電導貢獻非常有利於探索拓撲絕緣體奇異表面態的物理性質和開發拓撲絕緣體在自旋電子學等方面的潛在應用。
  • 物理所低維半導體材料中的光生載流子高效抽取現象研究取得進展
    半導體材料中的光電轉換過程是光電探測器和太陽能器件的基礎，也一直是半導體材料和物理領域的研究熱點。傳統半導體物理理論認為：在低維材料中，光生載流子在形成後會弛豫到基態，由於受到量子限制，光生載流子難於逃離限制勢壘形成有效的光電流。因此，將低維半導體材料應用於光伏和探測器領域一直難以成功。
  • 大幅提高熱電轉換效率!南科大團隊在熱電材料領域取得重要進展
    &nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp見圳客戶端．深圳新聞網2020年6月28日訊（見圳客戶端、深圳新聞網記者 金洪竹）近日，南方科技大學物理系講席教授何佳清團隊在熱電材料能量轉換研究中取得重要進展
  • 馮晶教授團隊在鉍系熱電材料領域取得研究進展
    近日，昆明理工大學馮晶教授團隊在鉍系熱電材料領域取得重要研究進展，相關工作成果發表在Chemical Engineering Journa和Nano Energy上，昆明理工大學是第一作者單位。兩篇論文的第一作者分別是2018級碩士研究生朱鈺可、2018級博士研究生郭俊。葛振華教授、馮晶教授為論文的通訊作者。
  • 張晗教授綜述:二維熱電材料研究進展
    對基於二維材料的塊體、薄膜熱電材料的應用進行了闡述，探討了二維材料作為填充劑在無機和有機熱電材料中的性能優化機制和應用進展，討論了二維材料本徵熱電性能的研究方法，探討了基於二維材料的光-熱電效應的光電探測器的研究進展。文章最後對二維材料在熱電領域的一些潛在問題和發展思路進行了總結。
  • 南科大何佳清團隊在熱電半導體材料的熱輸運機理方面取得研究進展
    近日，南方科技大學物理系講席教授何佳清團隊在熱電半導體材料的熱輸運機理方面取得重要進展，相關研究成果以「First-Principles Study of Anharmonic Lattice Dynamics in Low Thermal Conductivity
  • 南科大團隊在熱電材料領域取得重要新進展
    南都訊 記者朱倩 通訊員黃綺夢 近日，南方科技大學物理系講席教授何佳清團隊在熱電材料能量轉換研究中取得重要進展，相關成果以 「在n型Bi2Te3基熱電材料中實現創紀錄的高性能」為題在能源和環境領域頂級期刊《能源與環境科學》Energy & Environmental Science在線發表
  • 上海矽酸鹽所在柔性有機/無機熱電複合材料研究中取得進展
    傳統無機熱電材料具有優異的熱電性能，但不具備柔性功能；而有機熱電材料雖具有良好的柔性和彎曲性能，但熱電性能極低。有機/無機複合熱電材料可綜合無機材料的熱電高性能和有機材料的良好彎曲性能，成為近年來的研究熱點。
  • 半導體所等在各向異性二維材料物性研究方面取得系列進展
    半導體所等在各向異性二維材料物性研究方面取得系列進展 2016-04-19 半導體研究所 【　　最近，中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室研究員譚平恆研究組在各向異性二維材料的物性研究方面取得了系列進展。研究組和南加州大學教授汪涵等合作，通過拉曼光譜和光致發光光譜表徵了平面內各向異性的二維材料ReSe2。
  • 先進熱電材料與器件設計的研究進展
    綜述從熱電轉換基本原理出發，總結了近年來高性能熱電材料與器件設計的最新研究進展，包括不斷完善的熱電性能優化機制、先進的熱電材料與器件製造工藝，能帶和結構工程的廣泛應用、多維熱電材料的應用前景及探索，以及多元化的熱電器件設計思路。2.
  • 研究團隊利用鐵電極化場對低維半導體材料精準摻雜並構建多種電子...
    近年來，新型低維材料出現，其獨特結構和奇異物性備受關注，已在電子和光電子器件等領域顯現出其潛在的價值。通過元素摻雜來調控半導體材料載流子類型及濃度是構建半導體功能器件的物理基礎。具體到新型低維半導體材料，如何實現對其載流子的精準調控，同樣是實現其豐富功能器件的必經之路。近日，中國科學院上海技術物理研究所研究人員與復旦大學、南京大學、南京大學、華東師範大學及中科院微電子研究所的相關團隊通力合作，提出了利用非易失性的鐵電極化場對低維半導體材料的精準摻雜的新方法，並運用該方法構建了多種新型功能的電子和光電子器件。
  • 金屬所高性能柔性複合熱電材料研究取得重要進展
    【觀察者網綜合報導】 近期，中國科學院金屬研究所邰凱平研究員課題組、劉暢研究員課題組與合作者研製出一種高性能碲化鉍/單壁碳納米管（Bi2Te3/SWCNT）柔性熱電材料。，可使用離子束、飛秒雷射等微納加工方法將其裁剪成任意幾何形狀和轉移至各種類型的基底上，有利於靈活方便地製備各種結構的熱電器件，甚至可以通過靜電力等非接觸式方法操控該複合熱電材料。
  • 中科院研發低維半導體技術:納米晶片直接「畫出來」
    中科院今天宣布，國內學者研發出了一種簡單的製備低維半導體器件的方法——用「納米畫筆」勾勒未來光電子器件，它可以「畫出」各種需要的晶片。隨著技術的發展，人們對半導體技術的要求越來越高，但是半導體製造難度卻是越來越大，10nm以下的工藝極其燒錢，這就需要其他技術。
  • 上海矽酸鹽所有機熱電材料研究取得進展---中國科學院
    上海矽酸鹽所有機熱電材料研究取得進展 2020-10-20 上海矽酸鹽研究所 【字體：與無機熱電材料相比，聚合物熱電材料種類匱乏、熱電轉換性能低，主要原因是缺乏對分子結構與熱電性能關係的深入認識。化學摻雜是提高聚合物導電能力、調控其熱電性能的主要手段，目前聚合物半導體材料摻雜效率低，且高濃度摻雜容易破壞聚合物自身堆積從而顯著降低載流子遷移率，不僅不能獲得高電導同時降低了澤貝克係數，而且限制熱電器件性能的提升。
  • 物理所二維材料構築超短溝道電晶體研究獲進展
    物理所二維材料構築超短溝道電晶體研究獲進展 2018-02-09 物理研究所 【字體：大 中 小】 但受傳統半導體材料限制，溝道厚度不能持續減小。近年來，利用二維半導體材料來構造短溝道電晶體器件已經成為一個前沿探索的熱點課題。二維材料因其達到物理極限的厚度成為一種構造超短溝道電晶體的潛在材料，理論上可以有效降低短溝道效應。但構造一個真正的三端亞5納米短溝道場效應電晶體器件來有效避免短溝道效應，還存在技術上的挑戰。
  • 合肥研究院在新型熱電材料物理機制研究中獲進展
    近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員張永勝課題組在理論計算和解釋新型熱電材料（Pyrite型ZnSe2）的物理機制研究中取得新進展。該研究通過求解聲子和電子玻爾茲曼輸運方程，理論計算發現Pyrite型ZnSe2具有良好的熱電性質；基於對材料中原子成鍵情況和聲子振動性質的分析，解釋其具有低晶格熱導率的物理機制。
  • 【本期關注】中科院工程熱物理研究所在單晶熱電纖維研究方面取得新進展
    單晶材料由於其優越的機械穩定性、低光學損耗和優良的導電性能，在高性能光學和半導體工業中應用廣泛。
  • ...鐵電極化場對低維半導體材料精準摻雜並構建多種電子和光電子器件
    近年來，新型低維材料出現，其獨特結構和奇異物性備受關注，已在電子和光電子器件等領域顯現出其潛在的價值。通過元素摻雜來調控半導體材料載流子類型及濃度是構建半導體功能器件的物理基礎。具體到新型低維半導體材料，如何實現對其載流子的精準調控，同樣是實現其豐富功能器件的必經之路。
  • ...記劉益春和「低維氧化鋅材料的載流子調控與功能化研究...
    東北師範大學紫外光發射材料與技術教育部重點實驗室研究員徐海陽說，「低維氧化鋅材料的載流子調控與功能化研究」項目在信息、民用以及軍事領域等方面有著廣泛的應用，它可以給人們的生產生活帶來實實在在的影響。  徐海陽表示，他所工作的實驗室已在紫外發光材料與器件研究方面取得了多項重要進展，其中榮獲2015年國家自然科學獎二等獎的「低維氧化鋅材料的載流子調控與功能化研究」項目是最具成果的一項研究。  據項目帶頭人、東北師範大學校長劉益春介紹，氧化鋅是一種重要的第三代半導體材料。低維氧化鋅更因其優異的光電特性和新奇的物理性質成為材料科學前沿。
  • 物理所二維膠體晶體刻蝕法製備石墨烯納米帶研究取得進展
    最近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）表面物理國家重點實驗室白雪冬研究組的王文龍副研究員及其合作者在石墨烯納米帶的可控制備研究方面取得重要進展，相關工作發表在Adv. Mater. 23，1246 (2011) 上。 石墨烯（Graphene）自2004年發現以來，成為凝聚態物理與材料科學等領域的一個研究熱點。