硒化锡晶体生长与电输运性能研究

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Ⅳ-Ⅵ族半导体锡-硒材料体系的研究可以追溯到二十世纪五十年代。近年来研究报道在硒化锡(SnSe)单晶发现超高的热电性能,使得这些材料成为热电研究领域的热点。大量的理论和实验工作从热输运和电输运等方面研究了p型SnSe晶体超高热电性能的物理机制,加深了对层状半导体SnSe材料的理解,也促进了热电理论的发展。从目前的文献调研来看:不同课题组利用不同方法制备出的SnSe的电/热输运性能有很大的差别,对SnSe晶体的缺陷类型和形成机理的认识也不一致,而且相关的研究主要集中在高温区,缺乏低温下的输运性质表征。相对p型SnSe来说,n型SnSe晶体的研究处于初步阶段。基于目前的研究现状,本论文采用了助熔剂法(Flux Method),布里奇曼法(Bridgman Method)和物理气相输运(Physical Vapor Transport Method,PVT)等方法通过不同的掺杂成功生长出p型和n型SnSe晶体,并利用低温电输运表征了不同生长方法对电输运性能的影响。在p型SnSe晶体中,采用Sn做助熔剂生长的晶体和PVT法生长的晶体都是本征热激发半导体,而Na Cl做助熔剂和布里奇曼法生长的晶体具有简并半导体(类似金属)的导电行为。布里奇曼法生长的晶体具有相对较低的空穴浓度(~1017-1018cm-3),在低温50 K-70 K时发生金属-绝缘体转变,通过磁阻分析该转变属于安德森局域化。低温输运表明用Na Cl做助熔剂生长的晶体比布里奇曼法生长的晶体有更大的载流子浓度和迁移率(载流子浓度~1019 cm-3),Na Cl做助熔剂生长的晶体由于其高载流子浓度使得低温输运表现为金属行为,且电阻-温度关系符合朗道费米液体的行为。最终Na Cl为助熔剂生长的SnSe晶体具有较高的功率因子(~30μW·cm-1·K-2在室温下)。在n型掺杂的SnSe晶体中,CeBr3掺杂的SnSe晶体具有金属的导电特性,电子浓度约为8×1018cm-3,其电导率与Na Cl做助熔剂生长SnSe晶体的电导相当。其他单元素掺杂和Ce Cl3作助熔剂生长的晶体均为非简并半导体,在低温下(<200 K)这些简并半导体也会发生类似金属-绝缘体转变,其中Ce Cl3做助熔剂生长的晶体金属-绝缘体比较微弱,布里奇曼法生长的晶体金属-绝缘体转变非常显著,暗示SnSe导带电子结构在低温下可能存在拓扑性质变化。为了研究微结构对热电性能的影响,我们生长了SnSe-SnSe2共晶材料,研究了不同共晶组织对热输运和电输运的影响。通过控制生长速率,我们发现更大的生长速率可以减小SnSe-SnSe2共晶层间厚度,提高界面比例,从而有效散射声子,降低热导率。正相反,过慢的生长速率会增加共晶层间厚度,使其热导率大于SnSe单晶。综上所述,我们采用成功地利用不同生长方法生长出n型和p型的SnSe晶体,并研究了它们的电输运性能,揭示了不同的生长方法与电输运性能的关系,为进一步优化SnSe体系的热电性能提供坚实的基础。
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