Příprava a transportní vlastnosti vrstevnatých polovodičů pro termoelektrické aplikace

Abstract

V rámci mé disertační práce jsem studovala dva systémy a to oxid-selenid bismutitý Bi2O2Se v polykrystalické a monokrystalické formě a monokrystalický selenid bismutitý dopovaný stronciem Bi2-xSrxSe3 s nominálním obsahem stroncia x = 0-0,025. U obou systémů byla nejdříve hledána optimální cesta přípravy homogenních materiálů, které byly charakterizovány měřením mřížkových parametrů (RTG-difrakcí) a poté měřením vybraných transportních a optických vlastností. První část této práce se věnuje studiu Bi2O2Se. Byla provedena prvotní charakterizace polykrystalického materiálu měřením teplotních závislostí vybraných transportních vlastností v teplotním rozsahu 5-800 K s cílem ověřit možnost jeho potenciálního použití v oblasti TE aplikací. Z výsledků měření Seebeckova koeficientu S, elektrické vodivosti . a tepelné vodivosti . polykrystalického Bi2O2Se v rozsahu teplot 5?300 K vyplynulo, že sloučenina Bi2O2Se je n-typ částečně degenerovaného polovodiče podobně jako Bi2Se3. Z naměřených experimentálních dat byl také vypočítán bezrozměrný koeficient termoelektrické účinnosti ZT. V oblasti teplot 5-300 K je jeho hodnota pro použití v oblasti TE aplikací příliš malá. Pro měření vysokoteplotních závislostí transportních parametrů v rozmezí 300-800 K byly připraveny vzorky lisováním při tlaku 50 MPa při třech různých teplotách (450; 500; 550°C) s cílem studovat také vliv podmínek lisování na vlastnosti připravených vzorků. Bezrozměrný koeficient termoelektrické účinnosti ZT vypočítaný z naměřených dat dosahuje maximální hodnoty 0,2 při teplotě 800 K pro neoptimalizovaný materiál. Tato hodnota ve srovnání s průmyslově používanými materiály je sice 5x nižší, nicméně s teplotou dále roste. Monokrystalický Bi2O2Se byl charakterizován měřením elektrické vodivosti ., Hallova koeficientu RH a Seebeckova koeficientu S v rozmezí teplot 80-470 K. Detailní studium transportních vlastností bylo provedeno se zaměřením na koncentraci, rozptylový mechanismus a efektivní hmotnost volných nositelů. V druhé části této práce byl studován systém Bi2-xSrxSe3 s nominálním obsahem stroncia x = 0-0,025. Obsah stroncia v připravených vzorcích byl měřen pomocí atomové emisní spektroskopie (AES). Vzorky byly charakterizovány měřením reflexních spekter v oblasti rezonanční frekvence plazmatu při 300 K, Hallova koeficientu RH, elektrické vodivosti . a Seebeckova koeficientu S v oblasti teplot od 80 K do 470 K s cílem vyšetřit vliv zabudování atomů stroncia do krystalové struktury Bi2Se3 na jeho vlastnosti. Změny v hodnotách transportních koeficientů i reflexní spektra ukázaly, že s rostoucím obsahem stroncia dochází k poklesu koncentrace elektronů a mimořádnému nárůstu pohyblivosti nositelů. Tento akceptorový vliv atomů stroncia jako dopantu v krystalové struktuře Bi2Se3 byl vysvětlen modelem bodových poruch.