魏江濤 楊亮亮 魏磊 秦源浩 宋培帥 張明亮 楊富華 王曉東3)4)?

1)(中國科學院半導體研究所,半導體集成技術工程研究中心,北京 100083)

2)(中國科學院大學微電子學院,材料與光電研究中心,北京 100049)

3)(北京量子信息科學研究院,北京 100193)

4)(北京市半導體微納集成工程技術研究中心,北京 100083)

目前,低維材料是熱電領域研究的熱點,因為塊體材料低維化后熱電性能會得到顯著的改善.塊體材料低維化有很多方法,本文基于半導體微加工和聚焦離子束技術制備了尺寸可控的Si 微/納米帶,并通過微懸空結構詳細研究了不同尺寸Si 微/納米帶的熱電性能.實驗發(fā)現(xiàn):隨著Si 微/納米帶寬度的減小,材料的熱導率發(fā)生了顯著的降低,從體硅的148 W/(m·K)降低到17.75 W/(m·K)(800 nm);材料的Seebeck 系數(shù)低于相應的體Si 值.熱導率的降低主要來源于聲子邊界散射的增加,這顯著抑制了Si 材料中聲子的傳輸行為,從而影響熱能的傳輸和轉換.在373 K 時,800 nm 寬的Si 微/納米帶的ZT 值約達到了0.056,與體硅相比增大了約6 倍.聚焦離子束加工技術為將來Si 材料提高熱電性能提供了新的制備方案,這種技術也可以應用于其他材料低維化的制備.

1 引 言

熱電(thermoelectric,TE)材料可以有效將熱能直接轉化為電能,也可以通過電流用來對指定區(qū)域制冷.熱電器件具有無噪聲、無振動、可靠性高、能夠長期穩(wěn)定工作和尺寸靈活的獨特優(yōu)點[1,2].熱電材料的性能通常由無量綱的熱電優(yōu)值ZT來描述,ZT=S2σT/κ,其中S,σ,κ和T分別為塞貝克系數(shù)、電導率、熱導率和絕對溫度[3].最大化ZT值是困難的,因為在塊體材料中,S,σ和κ之間相互依賴,相互制約[4].由于不能單一調節(jié)熱參數(shù),塊體材料的熱電性能受到了嚴重的約束,大多數(shù)體材料的ZT值都在1 附近,相應的能量轉化效率約為10%或更低[5].經(jīng)過理論計算,當ZT值達到3 時,可以進行大規(guī)模的熱電應用;當ZT值達到4 時,熱電之間的能量轉換效率將高達30%[6?8].

硅是地球上最豐富的半導體.但是,塊體Si 材料并不是一種理想的熱電材料,主要原因是其具有高的導熱系數(shù)(κ=148 W/(m·K),300 K),這導致了極低的熱電轉化效率.研究表明,塊體材料低維化可以顯著改善材料的性能[9?11].當塊體Si 被制備成直徑遠小于大部分聲子平均自由程(phonon mean free path,MFP)的Si 納米線時,熱導率減小為塊體的1/150 左右,使Si的熱電優(yōu)值從0.01(塊體Si)顯著提高到了1 左右(200 K),與塊體硅相比增大了100 倍[12];相似地,Hochbaum等[13]發(fā)現(xiàn)表面粗糙的Si 納米線也可以顯著抑制其熱導率,使其減小到約1.6 W/(m·K),在室溫下可以獲得約0.6的熱電優(yōu)值.Si 納米線熱電性能的顯著提高,主要原因是熱導率的顯著降低.然而,Si 納米線具有一定的局限性.Si 納米線的機械強度較弱,且熱電性能受到樣品表面形貌和直徑的嚴重影響,這不利于重復、大規(guī)模的應用.

針對Si 納米線存在的問題,本文報道了一種基于半導體微加工和聚焦離子束(focused ion beam,FIB)技術的快速制備方法,成功制備出了尺寸可控的懸浮Si 微/納米帶.這些懸浮的Si 微/納米帶表現(xiàn)出了良好的機械強度和低的熱導率,同時具備高的電導率,這些優(yōu)點使它成為TE 設備的候選材料.熱電參數(shù)的測量是通過微懸空結構完成的,該懸空結構是為了納米線、納米管和納米膜的熱參數(shù)測量而開發(fā)的[14?21].本文的實驗結果表明,對于800 nm 寬的Si 微/納米帶,熱導率值可低至17.75 W/m K.熱導率的降低主要是由于聲子的邊界散射,邊界散射效應顯著抑制了Si 材料中聲子的熱傳輸.在不顯著犧牲熱電功率因子“S2σ”的情況下,Si 微/納米帶在373 K 時的ZT值達到了約0.056,顯著優(yōu)于塊體Si 材料.

2 實驗部分

2.1 Si 微/納米帶的制備與加工

2.1.1 制 備

實驗的起始材料為雙拋的SOI(silicon on insulator)晶圓片.器件層厚度為(220±10) nm;埋氧層的厚度為3 μm;底層硅厚度為500 μm.埋氧層相對較厚,主要目的是為了后續(xù)懸空.微加工制備之前,首先用標準的RCA 工藝對SOI 晶圓片進行清洗.微加工制備過程主要包括2 次光刻、2 次干刻蝕工藝、2 次氣態(tài)HF 干法腐蝕和1 次電子束蒸發(fā)生長金屬Ti 過程.圖1 給出了Si 微/納米帶制造過程的示意圖.圖1(b)為頂層硅在深反應離子刻蝕(deep reactive ion etching,DRIE)后的形貌.DRIE 完成后,再進行一次套刻,套刻的目的是為了把暴露出來的埋氧層完全刻蝕掉,埋氧層的刻蝕是通過電感耦合等離子體技術,刻蝕埋氧層的目的是為了減少氣態(tài)HF 釋放的時間,刻蝕后的示意圖如圖1(c)所示.在制備過程中,最關鍵的一步就是使Si 微/納米帶完全懸空,該過程采取了氣態(tài)氟化氫(hydrogen fluoride,HF)釋放而不是溶液濕法腐蝕,是為了避免在釋放過程中Si 微/納米帶與襯底粘連,氣態(tài)HF 釋放后的結果如圖1(d)所示.

圖1 Si 微/納米帶的制備流程 (a) SOI 晶圓片;(b) 頂層硅刻蝕;(c) 埋氧層刻蝕;(d) 氣態(tài)HF 釋放Fig.1.Si micro/nanobelt preparation process:(a) SOI wafer;(b) top silicon etching;(c) buried oxide layer etching;(d) gaseous HF release.

2.1.2 FIB 微加工過程

Si 微/納米帶制備成功之后,接下來要通過FIB Ga+進行切割,制備出不同寬度的Si 微/納米帶.在FIB Ga+離子切割之前,需要對制備好的懸浮Si微/納米帶進行一些特殊的處理.如圖2(a)所示,在FIB 切割之前需要在懸浮的Si 微/納米帶上生長一層薄的保護層,該保護層能夠最大限度地減少FIB 系統(tǒng)中Ga+離子在切割過程對Si 微/納米帶造成的摻雜影響,Ga+離子的摻雜會同時影響Si微/納米帶的電特性[22]和熱性能[23,24].由于本文的目的是確定Si 微/納米帶的寬度對其熱導率、電導率和塞貝克系數(shù)的影響,因此最小化外界因素帶來的不確定影響是至關重要的,所以在FIB Ga+切割之前必須要對懸浮Si 微/納米帶進行相應的保護措施.

保護層的選擇取決于很多因素,比如:實驗過程中保護層必須相對容易添加和除去,不能給實驗造成困難和影響;保護層的制備需要與樣品的制備過程兼容,保護層的引入和除去不能對待測樣品造成影響,造成實驗誤差;保護層的厚度也有嚴格的限制,保護層必須相對較薄,如果保護層生長得太厚,那么Ga+離子束將很難穿透保護層和下面的硅層,無法正常完成對樣品的切割加工;還要考慮保護層的導電性問題,如果保護層是絕緣的,帶電的Ga+離子轟擊樣品的表面時會受到嚴重的影響,樣品表面的電荷無法及時導出,造成掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)圖像的漂移,無法對切割區(qū)域精準定位,造成嚴重的切割偏差.根據(jù)以上分析,本次實驗選取Ti 金屬作為切割的保護層,如圖2(a)所示.在FIB Ga+切割之后,再一次通過氣態(tài)HF 除去剩余的Ti 保護層.圖2(b)分別給出了FIB Ga+離子切割前后的Si微/納米帶的SEM 圖.

圖2 FIB 切割過程 (a) 制造過程中的橫截面圖;(b) 懸浮Si的SEM 圖Fig.2.Process of the FIB milling:(a) Cross sectional view of fabrication process;(b) SEM image of the released freestanding Si.

2.2 微懸空結構的制備

起始材料為(100)晶面的Si 片,厚度約375 μm.在制備之前,同樣使用標準的RCA 工藝對樣片進行清洗.微懸空結構的制備流程如圖3 所示.主要包括:3 次光刻工藝、2 次金屬剝離工藝、1 次低壓化學氣相沉積(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)氮化硅生長、1 次等離子體增強化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapour deposition,PECVD)氮化硅生長、2 次反應離子(reactive ion etchin,RIE)干法刻蝕和1 次四甲基氫氧化銨(tetramethylammonium hydroxide,TMAH)溶液濕法腐蝕.

圖3 微懸空結構的制備流程 (a) LPCVD 生長低應力氮化硅;(b) 金屬剝離制備蛇形電阻和引出電極;(c) RIE刻蝕氮化硅;(d) 懸空結構的最終釋放Fig.3.Micro-suspension structure preparation process:(a) LPCVD growth of low-stress silicon nitride;(b) metal stripping to prepare serpentine resistors and lead electrodes;(c) RIE etching of silicon nitride;(d) release of final suspended structure.

如圖3(a)所示,首先需要在Si 晶圓片表面采用LPCVD 生長500 nm 厚的SiNx薄膜,作為后續(xù)的絕緣層和懸臂梁.之后需要兩次金屬剝離工藝,用來制備Pt 蛇形電阻和Au 引出電極.Cr/Pt蛇形電阻和Cr/Au 引出電極都是通過磁控濺射法制備的,厚度分別為5 nm/50 nm,20 nm/200 nm,剝離后的金屬如圖3(b)所示.在金屬制備完成之后,將其放入PECVD 腔室內約10 min,在金屬頂部生長約350 nm 厚的SiNx保護層,這樣做的目的是為了防止在后續(xù)的TMAH 腐蝕過程中Pt 蛇形電阻和Au 引出電極的脫落.之后通過光刻和RIE 技術定義氮化硅懸臂和懸島的相對位置和具體尺寸,刻蝕之后如圖3(c)所示.在氮化硅刻蝕完成之后,將樣片放入質量分數(shù)約25%的TMAH 溶液中進行濕法腐蝕,反應溫度控制在80 ℃.腐蝕約6 h 之后,將其取出放置在IPA 溶液中進行干燥,這樣可以避免懸空結構的斷裂.

制備完成的微懸空結構SEM 圖如圖4 所示,懸空結構由兩個相鄰的500 nm 厚的低應力SiNx懸島組成,懸島的尺寸約為80 μm × 120 μm.每個SiNx懸島通過8 個400 μm 長、10 μm 寬的懸臂與襯底相連.每個SiNx懸島上都長有50 nm 厚的Pt 蛇形電阻溫度計,Pt 蛇形電阻通過沉積在長氮化硅懸臂上的4 條200 nm 厚、5 μm 寬的Au 引線與襯底上150 μm × 150 μm Au 鍵合Pad 相連.其中兩根引線向Pt 蛇形電阻提供電流,另外兩根引線用于測量Pt 蛇形電阻上的電壓降.通過簡單測量,懸空結構下的溝槽深度約180 μm,在一個四寸Si 片上可同時制備出將近1000 個微懸空結構.

圖4 懸空結構的SEM 圖 (a) 懸空結構整體的SEM 圖;(b) 懸空部分在52° 傾角下的近景SEM 圖;(c) 微設備的偽彩色SEM 圖Fig.4.SEM images of the suspended structure:(a) SEM image of the whole suspended structure;(b) close-up SEM image of the suspended part at 52° inclination;(c) false colour SEM picture of the microdevice.

2.3 納米探針干法轉移

微懸空結構制備完成后,需要將待測樣品轉移到懸空結構上,使待測樣品連接兩個孤立的懸空島,以便測量其熱電性能.目前比較普遍的轉移方法有液滴法[25]、納米探針法等[21,26,27].液滴法轉移有很大的局限性,例如:橋接兩個相鄰懸浮SiNx島的樣品是隨機的,充滿了不可控性,而且轉移之后的微懸空結構特別臟;納米探針法可以精準地轉移不同尺寸的樣品,具有很好的可控性,轉移之后的MEMS 微懸空結構非常干凈,并且整個轉移過程是在FIB高真空腔室內完成的,不會造成額外的外界污染.基于以上分析,本文選擇了納米探針干法轉移.Si 微/納米帶轉移的整個過程SEM 圖如圖5(a)—(d)所示.

圖5 (a) 納米探針與Si 微/納米帶接觸過程;(b) 通過Pt 金屬焊接,將Si 微/納米帶從原本的位置轉移走;(c) 納米探針把Si 微/納米帶轉移到懸空結構上的過程;(d) 通過Pt 金屬焊接,將Si 微/納米帶固定在懸空島兩端;(e) 樣品1,Si 微/納米帶的寬度為2000 nm;(f) 樣品2,Si 微/納米帶的寬度為800 nmFig.5.(a) Contact process between nanoprobe and Si micro/nanobelt;(b) transfer the Si micro/nanobelt from its original position by Pt metal welding;(c) process of transferring the Si micro/nanobelt to the suspended structure by the nanoprobe;(d) fix the Si micro/nanobelt on both ends of the suspended island by Pt metal welding;(e) Sample 1,where the width of the Si micro/nanobelt is 2000 nm;(f) Sample 2,where the width of the Si micro/nanobelt is 800 nm.

圖5(a)給出了經(jīng)過FIB Ga+切割加工之后的樣品和納米探針,在轉移過程中,納米探針需要精準地移動到懸空Si 微/納米帶附近,然后移動納米探針與Si 微/納米帶接觸,接觸時納米帶會發(fā)生輕微的振動,但是這些振動不足以使Si 微/納米帶斷裂.接觸之后,通過Pt 氣體注入系統(tǒng)(gas injection system,GIS)進行焊接,為轉移做準備.在納米探針與Si 微/納米帶焊接完成之后,對Si 微/納米帶兩端進行切割,如圖5(b)所示.在FIB 切割過程中要小心,盡量減少暴露的硅帶被額外的離子注入,因為這樣可能會改變樣品的熱導率.為了避免FIB 切割過程中離子的注入問題,采取最小的電流,約為30 pA 對Si 懸空微/納米帶兩端進行切割.2013 年,Alaie 等[28]證明了通過FIB 切割和轉移樣品之后,不會對樣品造成可檢測的損傷.在樣品切割之后,通過移動納米探針使樣品移動到微懸空島的上方,為接下來搭載做準備,如圖5(c)所示.移動納米探針將Si 微/納米帶放置在懸空島的兩端,并在局部沉積Pt 金屬,將Si 微/納米帶固定在懸空島上.當這一步完成后,可以將納米探針取出,而使Si 微/納米帶保持在懸空島上,如圖5(d)所示.其中Pt 金屬沉積可以改善Si 微/納米帶與懸空島引出電極之間的熱接觸[16,17,29?32].通過FIB納米探針轉移了兩種不同尺寸的樣品,如圖5(e)和圖5(f)所示,以下簡稱為樣品1 和樣品2.在樣品1和樣品2 熱電參數(shù)測試完成之后,通過SEM 精確測量了樣品的尺寸,具體尺寸參數(shù)如表1 所列.

表1 不同樣品的尺寸參數(shù)Table 1. Size parameters of different samples.

3 結果與討論

3.1 Pt 蛇形電阻校準

為了測量單個Si 微/納米帶的熱電參數(shù),需要將轉移有Si 微/納米帶的微懸空結構置于低溫恒溫器中.所有的測量都是在小于6 × 10–6Torr(1 Torr≈133.322 Pa)的高真空中進行的,以消除熱對流和熱輻射損失,使Si 微/納米帶成為加熱端懸島和和測量端懸島之間唯一的熱傳輸通道.利用微懸空結構電熱法測量熱電參數(shù)的細節(jié)已經(jīng)在之前的文獻中被詳細報道[25,29].簡單地說就是通過測量懸島之間的熱傳輸來表征Si 微/納米帶的熱導率.

在進行熱電參數(shù)測量之前,首先需要對Pt 蛇形電阻進行溫度校準.高溫端和低溫端Pt 蛇形電阻的阻值測量都采用四線法.溫度變化范圍為303—373 K,圖6 給出了Pt 蛇形電阻阻值隨溫度變化的結果.實驗測得高溫端和低溫端的Pt 蛇形電阻溫度系數(shù)分別為TCRH=1.46 × 10–3K–1和TCRC=1.14 × 10–3K–1.實驗報道的體Pt的溫度系數(shù)為3.927 × 10–3K–1,高于50 nm 厚的磁控濺射的Pt 金屬薄膜,體Pt 與薄膜Pt 金屬之間的差異可以歸因于不同的制備方法和材料形貌.

圖6 (a) Pt 電阻隨溫度的變化;(b) Pt 電阻隨溫度的相對變化,R0 為303 K 時Pt 電阻的阻值Fig.6.(a) Change of Pt resistance with temperature;(b) relative change of Pt resistance with temperature,where R0 is the resistance value of the Pt resistance at 303 K.

3.2 電阻率和Seebeck 系數(shù)的測量

3.2.1 電阻率的測量

待測樣品的電阻率可以通過與樣品相接觸的4 個Pt 電極來測量,這樣可以消除寄生壓降,大大提高電阻率的測量精度.圖7 為兩種不同尺寸的Si 微/納米帶在300—380 K 溫度范圍內的電阻和電阻率的測量數(shù)據(jù),可以看出,隨著溫度的上升,電阻和電阻率都在逐漸增加.由圖7(a)可知,樣品1的電阻值低于樣品2的電阻值,即隨著樣品寬度的減小,樣品的電阻增大.由圖7(b)可知,樣品2的電阻率基本等于樣品1的電阻率,這主要是由于樣品寬度從2 μm 減小到800 nm 時,帶來的尺寸效應不足以影響樣品中電子的正常輸運,所以電阻率未受到影響.隨著溫度的不斷升高,樣品晶格振動散射增加,導致遷移率的下降.樣品的遷移率和電阻率的表達式分別為

其中q為電荷量,p為載流子的濃度,m*為載流子的有效質量,Ni為載流子的濃度,A和B為晶格振動和電離雜質散射的系數(shù),μp為載流子的遷移率.由(1)式和(2)式可知,電阻率會隨著溫度的升高而增大,這與圖7(b)中電阻率的變化趨勢是一致的.

圖7 (a) 樣品電阻隨溫度的變化;(b) 樣品電阻率隨溫度的變化Fig.7.(a) Change of samples’ resistance with temperature;(b) change of sample resistivity with temperature.

3.2.2 Seebeck 系數(shù)的測量

通過Pt 蛇形電阻可以精確測量待測樣品兩端的溫差,由于溫差的存在,會在樣品兩端產(chǎn)生熱電壓,即VTE=(SS–SPt)/(TH–TC),其中SPt為Pt金屬的Seebeck 系數(shù),由于在300 K 時,SPt的大小通常為5 μV/K,并且隨著溫度升高線性減小[33],因此,可以近似認為SS–SPt≈SS.分別測量出熱電壓,TH和TC就可以得到待測樣品的Seebeck系數(shù).圖8 為兩種不同尺寸的Si 微/納米帶在300—380 K 溫度范圍內的塞貝克系數(shù)的測量數(shù)據(jù).通常,塞貝克系數(shù)用Mott 關系來描述[34]:

圖8 (a) 引線電阻隨溫度的變化;(b) 樣品塞貝克系數(shù)隨溫度的變化.Seebeck 系數(shù)的不確定性為5%Fig.8.(a) Change of wires’ resistance with temperature;(b) change of samples’ Seebeck coefficient with temperature.The uncertainty of Seebeck coefficient is 5%.

其中,kB是玻爾茲曼常數(shù),h是普朗克常數(shù),是態(tài)密度有效質量,p是空穴的濃度,T是溫度.塞貝克系數(shù)不僅受載流子濃度的影響,還受態(tài)密度有效質量和溫度的影響.從圖8 可以看出,樣品1 和樣品2的塞貝克系數(shù)相差不是很大,主要原因是樣品1 和樣品2 除了尺寸不同,其他完全一致;樣品的塞貝克系數(shù)數(shù)值隨著溫度的上升具有上升的趨勢.實驗中測量所得的最大Seebeck 系數(shù)約為133.5 μV/K,低于Tang 等[35]所測的Seebeck 系數(shù),主要原因是本實驗所測Si 微/納米帶的摻雜濃度(約3 × 1020cm–3,P-type)比Tang 等[35]所測的高1 個數(shù)量級,由(3)式可知,隨著摻雜濃度的升高,Seebeck 系數(shù)會逐漸減小.

3.3 熱導率和熱電優(yōu)值ZT

除了電阻率和Seebeck 系數(shù)外,還需要測定Si 微/納米帶的熱導率.微懸空結構電熱法測量熱導率的基本原理是,給熱端Pt 蛇形電阻施加恒定的直流電流I,熱端懸空島溫度由T0升高到TH,產(chǎn)生的焦耳熱通過中間搭載的Si 微/納米帶傳到低溫端懸島,使其溫度從T0升高到TS.通過測量Pt 蛇形電阻計算對應的溫度值,進而計算出Si 微/納米帶的熱導率.在熱導率測試過程中,會首先改變腔室的溫度,待腔室溫度穩(wěn)定之后再通電流進行相應的測試,測試過程主要使用了Keithley2440數(shù)字源表和SR830 鎖相放大器.由于MEMS 微懸空結構電熱法在測量過程中與襯底分離,隔離了眾多熱傳輸通道,顯著地提高了樣品熱導率的測量精度,微懸空結構電熱法是目前低維材料熱導率測試精度最高的方法[36].

微懸空結構電熱法測量低維材料熱導率的過程中,樣品與襯底的接觸熱阻會嚴重影響測量結果.在本文的實驗中,通過FIB GIS 在Si 微/納米帶與電極接觸點的頂部沉積了Pt 金屬以加強電接觸,FIB 沉積可以顯著降低接觸熱阻使接觸熱阻最小化[33],接觸熱阻僅占樣品熱阻的10%或者更小,所以在測試過程中認為所測總熱阻本質上等于Si 微/納米帶的熱阻.圖9(a)所示為樣品1 和樣品2 在300—380 K 溫度范圍內的熱導率的測量數(shù)據(jù).圖9(a)中的插點為文獻報道的Si 熱導率值,分別為56 [Haras,2014][37],10.23 [Tang,2010][35]和1.8 W/(m·K)[Lim,2016][38],這些熱導率值相對于塊體Si 有了顯著的降低.與塊體硅的熱導率相比,本文測量的Si 微/納米帶的最小熱導率值減小為其1/9,并且隨著Si 微/納米帶寬度的減小,相應的熱導率值逐漸減小.這表明邊界散射增強對Si 微/納米帶中的聲子傳輸具有很大的影響.隨著溫度逐漸升高,Si 微/納米帶的熱導率先緩慢增加后快速減少,并在340 K 附近達到最大值.在373 K 時,熱導率值降到最小,樣品1 和樣品2的最小熱導率值分別為40.9 和17.75 W/(m·K).為了理解熱導率К的溫度依賴性,使用馬蒂森規(guī)則來描述各種散射機制下的聲子弛豫時間[39].總聲子散射率τ–1可以近似表示為

圖9 (a) 樣品在不同溫度下的熱導率值,插點為文獻值;(b) 樣品在不同溫度下的ZT 值,其中熱導率和ZT 值的不確定性分別為8%和13%Fig.9.(a) Thermal conductivity value of the sample at different temperatures,where the interpolation point is literature values;(b) ZT value of the samples at different temperatures.The uncertainty of thermal conductivity and ZT value are 8% and 13%,respectively.

其 中τPh-Ph,τimpurities和τboundary分別是受Umklapp散射、雜質散射和邊界散射限制的聲子弛豫時間.由于Si 微/納米帶是通過相同的SOI 晶圓制作的,因此Si 微/納米帶中雜質散射的影響并不會發(fā)生變化,類似于整體散射.然而,來自Si 微/納米帶邊界的散射確實會影響整個聲子的散射時間.Umklapp 散射的特點是熱導率隨著溫度的升高而減小.由于聲子在與其他聲子散射之前會受到邊界的阻礙,因此在較高的溫度下邊界散射變得非常重要.對于Si 微/納米帶,Umklapp 散射和雜質/邊界散射之間的相互競爭產(chǎn)生的熱導率峰值發(fā)生在340 K附近,如圖9(a)所示.

由測試可知,材料的熱導率、電導率、塞貝克系數(shù)和溫度有關.把每個參數(shù)測量值代入ZT=S2σT/κ公式中,就可以計算出材料在不同溫度下的熱電優(yōu)值ZT.圖9(b)分別給出了樣品1 和樣品2 在不同溫度下的熱電優(yōu)值ZT.通過圖9(b)可知,樣品1 和樣品2的熱電優(yōu)值ZT隨著溫度的升高而增加,并且樣品2的熱電優(yōu)值遠大于樣品1,主要原因是隨著Si 微/納米帶寬度的減小,Si 微/納米帶的電阻率和塞貝克系數(shù)幾乎不變,但是,熱導率發(fā)生了顯著的降低,導致了熱電優(yōu)值ZT的顯著增加.在373 K 時,樣品2的最高熱電優(yōu)值達到了0.056,相比體硅提高了將近6 倍.

4 結 論

通過FIB 技術制備了尺寸可控的高質量Si 微/納米帶,并通過納米探針轉移到微懸空結構上進行了熱電性能的詳細測試.實驗發(fā)現(xiàn),隨著Si 微/納米帶寬度的減小,材料的熱導率發(fā)生了顯著的降低.對于800 nm 寬的Si 微納米帶,在373 K 下測得的熱導率κ約為17.75 W/(m·K),此值遠低于塊體Si的熱導率.該結果表明,Si 微/納米帶的熱導率被強聲子邊界散射所抑制.在不顯著犧牲熱電功率因子“S2σ”的情況下,800 nm 寬的Si 微/納米帶在373 K 時的ZT值達到了約0.056.我們認為,FIB 快速加工制備Si 微/納米帶的技術,不僅為將來高熱電性能Si 材料的制備提供了新的方案,也為其他材料低維化提供了新的思路.