P型CCO和N型ZAO薄膜的热电性能外文翻译资料

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P型CCO和N型ZAO薄膜的热电性能

Weerasak Somkhunthot*, Nuwat Pimpabute, Arthorn Vora-ud,Tosawat Seetawan, Thanusit Burinprakhon

摘要：在氩气气氛下，分别以Ca3Co4O9和ZnAlO作为靶材，用双极脉冲-直流磁控管溅射系统在陶瓷基片上制备Ca3Co4O9薄膜和ZnAlO薄膜。能谱分析显示Ca3Co4O9靶材上初镀的薄膜中包含钙元素、钴元素和氧元素，而ZnAlO靶材上初镀的薄膜中包含锌元素、铝元素和氧元素。通过扫描电子显微镜得出的横断面的形貌分析表明初镀的Ca-Co-O (CCO)薄膜的厚度为0.55 mu;m，而初镀的Zn-Al-O (ZAO)薄膜的厚度为0.58 mu;m。X射线衍射分析表明CCO薄膜以非晶相生长，而ZAO薄膜具有六边形结构。通过性能测试，P型CCO的功率因数为0.13mu;W/m K²,N型ZAO的功率因数为14.39mu;W/m K² 。由3对PN结组成的温差发电模块在温差为101.40K时开路电压达到55.6 mV，电流达到0.04 mu;A。

关键词：热电，温差发电块，P型CCO薄膜和N型ZAO薄膜。

1. 介绍

热电材料可以将热能直接转化为电能，也可以将电能直接转化为热能，前者基于赛贝克效应，后者基于帕尔帖效应。这一现象也是制造温差发电机和制冷机的基础。真正的温差发电机或制冷机有一个或更多的由热电材料制成的温差发电模块。一个温差发电模块由几个P型热电材料和N型热电材料串联而成。热电材料的性能可以通过材料的电功率因数P来评估，P = S²/rho;；或者通过无量纲电优值ZT来评估，ZT = S²T/rho;kappa;，其中S是材料的赛贝克系数，rho;是材料的电阻率，kappa;是材料的热导率，T是指绝对温度。

在寻找高效能的热电材料时人们注意到了包含Ca3Co4O9 和 ZnAlO这样的金属氧化物，前者是P型半导体，后者是N型半导体。也已经有了诸多报道提供了多种制备两种材料的块体、粉末以及薄膜，但是将这两种材料连接成PN结制作温差发电模块却鲜有报道，这便是我们这样研究的出发点。

在这篇论文中，有报道调查过关于用双极脉冲-直流磁控管溅射系统沉积P型Ca3Co4O9薄膜和N型ZnAlO薄膜的可靠性。我们也给出了薄膜的晶体结构、元素组成以及热电性能的结果。由薄膜组成的温差发电模块的制备和测试得到了报道，并引发了讨论。

1. 实验步骤

实验步骤包括薄膜沉积、性能测试以及热电性能表征以及制作温差发电模块并对其进行测试。

2.1、薄膜沉积

图1为沉积薄膜的用的双极脉冲-直流磁控管溅射系统的示意图，关于该系统的其他细节在文章的其他部分会提到。沉积过程在氩气气氛下进行（99.999%氩气，每分钟气流率为23.301标准毫升，压力为9.31Pa），P型Ca3Co4O9和N型ZnAlO靶材的直径为60mm，厚度为3mm。基片选用Al₂O₃ 基陶瓷（25.0times;25.0times;1.0mm³），放置于靶材上方5.0cm，不添加任何额外的加热设备。靶材适用的双击脉冲频率为17KHz，接通时间为20 mu;s，而反向接通时间为10 mu;s，停工时间为14 mu;s。P型Ca3Co4O9靶材负极所施加的电压为24415 V，通过的电流为120mA；N型ZnAlO靶材负极所施加的电压为60015 V，通过的电流为120mA。两种靶材正极所施加的电压都是10010 V。每个样品的沉积时间是60分钟。在薄膜的溅射沉积过程中的等离子体的光反射可以用高分辨质谱仪观测到波长在360-800 nm之间。光谱线通过泰国国家技术标准的原子光谱数据库指示。

图1 双极脉冲磁控管溅射系统工作原理

2.2特征描述和热电性能测试

准备横截面积为20times;20mm²的薄膜测试其晶体结构，组成元素，厚度和热电性能。初镀的薄膜的晶体结构由X射线衍射分析得到，元素组成由能谱分析得到，薄膜的厚度由扫描电子显微镜得到的横断面的结果所得，电荷类型和赛贝克系数由热探针实验和标准稳定性测试所得，电阻率由标准范德华四探针测试方法所得。

2.3 温差发电模块的制作和热电性能测试

一个温差发电模块由3对PN结组成（每一个PN结宽度为2.5 mm，长度为20.0 mm），依次并联在陶瓷基片上，中间用一系列的溅射铜薄膜做连接。在沉积薄膜过程中在其中将铜溅射在靶材的表面使靶材的表面覆盖一层铜薄膜。初步的热电性能的测试选择在室温下进行，在模块发电时测量其性能。在模块的一端用热金属板加热，使这一端的温度保持在T_H，而另一端置于空气中，使温度保持在T_C 。开路电压和短路电流就可以通过测试温差的函数来得到( T = T_Hminus;T_C)。

1. 结论与讨论

薄膜沉积过程中的等离子光反射（图中未显示）表明Ca₃Co₄O₉ 和ZnAlO 靶材溅射成功。能谱分析（结果未给出）表明初镀的Ca₃Co₄O₉ 靶材包含Ca、Co、和O元素，而ZnAlO 靶材包含Zn、Al和O元素。从这一点开始，这一包含Ca、Co和O元素的初镀膜我们称之为CCO薄膜,而包含Zn、Al和O元素的初镀膜称之为ZAO。图2显示了初镀在陶瓷基质上的CCO和ZAO薄膜的XRD图像。由图可知，主要的峰都是反映了基质的成分，包括Al₂O₃, SiC, SiO₂ 。以CCO薄膜为例，其XRD图（图2.a）中没有任何一个峰能够反映Ca₃Co₄O₉ 的存在。这就说明了由于基质的温度比较低（lt; 150 C），所以大部分的CCO都是非晶态的。相反的，如图2（b）所示，在ZAO薄膜的XRD图中有几个峰，分别为ZnO晶体的(100), (002), 以及 (101) 晶面。而且在图中并没有发现Al。因此，可以说明多晶的ZAO可以在低温下形成。这就说明了只有沉积原子束所需的等离子双极脉冲的能量对晶体结构的形成有促进作用。扫描电子显微镜下的横断面的图像得出CCO和ZAO的初镀薄膜的厚度分别为0.55 mu;m 和 0.58 mu;m。CCO薄膜体现出P型半导体的性质，其赛贝克系数S = 103.84 mu;V/K, 电阻率rho; = 8.29 Omega; cm, 电功率因数P = 0.13 mu;W/m K² ，而ZAO薄膜体现出N型半导体的性质，其赛贝克系数 S = minus;34.33 mu;V/K, 电阻率rho; = 0.01 Omega; cm, 电功率因数P = 14.39 mu;W/m K². 有一点不容忽视，CCO的电阻率几乎是ZAO的两倍之多，这一点是在制作温差发电模块时不想见到的。

图2.初镀的薄膜与陶瓷基质的XRD图的对比

图3是测试P型CCO和N型ZAO组成的温差发电模块电路的开路电压和短路电流，很明显开路电压和短路电流随着温差的增加而增加，当温差达到101.40 K (T_H = 477.55 K and T_C = 376.15 K)时，开路电压达到55.6 mV，短路电流达到0.04 mu;A。最低的短路电流由高电阻率P型CCO所得。

图3(a).开路电压随温差的变化 图3(b).短路电流随温差的变化

1. 结论

用双极脉冲-直流磁控管溅射系统在陶瓷基片上制备P型Ca3Co4O9薄膜和N型ZnAlO薄膜可以制作温差发电模块。所制得的温差发电模块在温差为101.40K时开路电压达到55.6 mV，电流达到0.04 mu;A。测试表明以这样的薄膜制成的温差发电模块可以为进一步研究提供一个平台，如何提升P型CCO的电导率以适应N型ZAO从而提高温差发电模块的效率值得关注。

致谢

本研究由研究与发展行政部门、泰国发电机构资助。特别感谢热电研究中心、沙功那空皇家大学为我提供X射线衍射和热电性能测试的实验设备，以及国家金属与工程材料中心和国家科技发展协会为我们提供的能谱分析和扫描电子显微镜分析。

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