【摘要】：材料科學(xué)的發(fā)展同凝聚態(tài)物理學(xué)乃至人類社會(huì)的進(jìn)步相輔相成。近年來,隨著計(jì)算能力的不斷增強(qiáng),人們對(duì)拓?fù)洳牧系睦碚撗芯看笥幸I(lǐng)實(shí)驗(yàn)的勢(shì)頭,眾多過去為人們探索過的材料被證實(shí)具有拓?fù)湫再|(zhì),拓?fù)洳牧现械奈锢硪渤蔀槟蹜B(tài)物理研究的一大熱門。理論對(duì)于拓?fù)洳牧项A(yù)言的巨大成功并不意味著人們可以隨心所欲地創(chuàng)造具有特殊性質(zhì)的材料;與此相對(duì)應(yīng),實(shí)驗(yàn)研究在某種程度上顯得愈發(fā)重要,架起超前的理論構(gòu)想與實(shí)際應(yīng)用之間的橋梁,實(shí)驗(yàn)材料的研究如今除了需要人們從各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā),還需要人們時(shí)時(shí)從繁多的理論中辨清本質(zhì)。從實(shí)際應(yīng)用的角度來看,材料復(fù)雜物性的背后,電子結(jié)構(gòu)扮演了至關(guān)重要的角色,直接關(guān)系到材料的電學(xué)或光學(xué)等性質(zhì)。對(duì)材料的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)而精確的測(cè)量有助于人們理解材料本身的物理性質(zhì),從而加深人們對(duì)一些物理機(jī)制的認(rèn)識(shí),甚至幫助預(yù)言新的實(shí)用材料,因此具有重要的意義。本論文以同步輻射角分辨光電子能譜和分子束外延技術(shù)為主要研究手段,結(jié)合掃描隧道顯微鏡,針對(duì)熱電材料CsBi4Te6單晶和兩個(gè)原子層厚的Bi(110)薄膜開展研究。取得了如下的結(jié)果:1.利用同步輻射角分辨光電子能譜直接觀察到了熱電材料CsBi4Te6單晶中大于理論預(yù)期的能帶寬度,間接給出了 CsBi4Te6的帶隙范圍。CsBi4Te6是窄帶半導(dǎo)體,其晶體結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)表現(xiàn)出準(zhǔn)一維的特征,225K時(shí)的ZT值達(dá)到0.8,此外,在載流子濃度低于一般金屬3個(gè)量級(jí)的情況下,有將近4.4K的超導(dǎo)電性。早期的研究表明CsBi4Te6中載流子輸運(yùn)的各向異性和材料本身的低熱導(dǎo)率是其低溫?zé)犭娦阅軆?yōu)異的關(guān)鍵,但在帶隙大小的問題上,理論和實(shí)驗(yàn)仍存在一些爭(zhēng)議。我們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CsBi4Te6的能帶色散呈現(xiàn)高度的各向異性,在面內(nèi)的兩個(gè)方向上,載流子的有效質(zhì)量只有理論預(yù)期的約60%;利用CsBi4Te6的解理面在超高真空腔里的陳化效應(yīng)帶來的電子型摻雜,我們觀察到了 CsBi4Te6的導(dǎo)帶,得出其最小的間接帶隙約在0.05 eV至0.1 eV之間。我們的結(jié)果為進(jìn)一步理解CsBi4Te6的超導(dǎo)等性質(zhì)提供了較為完整的電子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)支持。2.利用分子束外延在黑磷襯底上成功地生長(zhǎng)了兩個(gè)原子層厚的Bi(110)薄膜；通過高精度掃描隧道顯微鏡的測(cè)量,證實(shí)了薄膜的結(jié)構(gòu)為類似于單層黑磷的構(gòu)型。理論研究表明,兩個(gè)原子層厚的Bi(110)薄膜中上層原子的翹曲對(duì)其拓?fù)湫再|(zhì)存在很大影響,并且可以通過引入電荷摻雜或襯底的影響來實(shí)現(xiàn)對(duì)其拓?fù)湫再|(zhì)的調(diào)控。我們利用同步輻射角分辨光電子能譜測(cè)得的兩個(gè)原子層厚Bi(110)薄膜的能帶結(jié)構(gòu)與第一性原理計(jì)算得到的結(jié)果符合較好。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由于黑磷的帶隙相對(duì)較大(約0.3 eV),費(fèi)米能級(jí)附近主要是Bi薄膜的能帶;其中,沿Γ-X1方向的能帶同計(jì)算結(jié)果符合得很好,而沿Γ-X2方向的能帶雖然在走勢(shì)上與計(jì)算結(jié)果相符,但在動(dòng)量尺度上卻存在較大的差別,我們推測(cè)這種差別可能來自于襯底對(duì)Bi原子面內(nèi)p軌道施加的應(yīng)力;我們的結(jié)果顯示兩個(gè)原子層厚的Bi(110)薄膜在黑磷襯底上很接近拓?fù)湎?因?yàn)樯蠈覤i原子的翹曲導(dǎo)致的能帶劈裂也大于理論預(yù)期,由此導(dǎo)致的Bi薄膜費(fèi)米能級(jí)附近電子的自旋極化可能會(huì)對(duì)自旋電子學(xué)的研究有一定幫助。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O469
【圖文】：

終還可供我們開采近百年。這里，對(duì)于工業(yè)廢熱、余熱能源的利用率而言是頗有前景的發(fā)展方向。熱電材料因電能之間的相互轉(zhuǎn)換，同時(shí)使用過程中具有體積小、無運(yùn)多關(guān)注。實(shí)際上，在深空探測(cè)領(lǐng)域，熱電材料己經(jīng)得到，目前發(fā)現(xiàn)的熱電材料能量密度與轉(zhuǎn)換效率低是較為明應(yīng)是三種現(xiàn)象的統(tǒng)稱。１８２２年，德國(guó)科學(xué)家Ｓｅｅｂｅｃｋ發(fā)連接組成的閉合回路中，如果連接兩端處于不同的溫度，通過，這一電流稱為溫差電流，實(shí)現(xiàn)了熱能到電能的轉(zhuǎn)換Ｐｅｌｔｉｅｒ發(fā)現(xiàn)：在Ｂｉ和Ｓｂ連接（這個(gè)實(shí)驗(yàn)也許是第一個(gè)拓中，往一個(gè)方向通電流，接頭處會(huì)吸熱，改變電流方向，了電能到熱能的轉(zhuǎn)換。１８５４年，Ｔｈｏｍｓｏｎ邋（Ｌｏｒｄ邋Ｋｅｌｖｉｎ）建ｌｔｉｅｒ效應(yīng)之間的關(guān)系，并預(yù)言了第三種熱電現(xiàn)象，即Ｔｈｏ梯度的均勻?qū)w中有電流通過時(shí)，導(dǎo)體中除了會(huì)產(chǎn)生和外，還要吸收或者放出熱量。逡逑

逑這里需要指出，以上三種熱電效應(yīng)均為可逆效應(yīng)，即描述三種現(xiàn)象的參數(shù)逡逑符號(hào)會(huì)隨著電流或溫度梯度方向的改變而改變［５］。在如圖１．１所示的由兩種不逡逑同的材料ａ和ｂ組成的回路中通電流，會(huì)引起兩種可逆的和兩種不可逆的熱效逡逑應(yīng)。首先，在ａ和ｂ的連接處會(huì)發(fā)生可逆的Ｐｅｌｔｉｅｒ效應(yīng)；其次，由于Ｐｅｌｔｉｅｒ效逡逑應(yīng)帶來的連接間的溫度梯度，加上中間有電流通過，每一段材料又都會(huì)發(fā)生可逡逑逆的Ｔｈｏｍｓｏｎ效應(yīng)。兩種不可逆的熱效應(yīng)則是指電流的熱效應(yīng)（Ｊｏｕｌｅ熱）和逡逑Ｆｏｕｒｉｅｒ熱傳導(dǎo)。這些效應(yīng)在字面上非常好理解，在實(shí)際的測(cè)量過程中卻需要格逡逑外注意，比如：電阻率測(cè)量過程中，需要考慮由Ｐｅｌｔｉｅｒ效應(yīng)引起的溫差和附加逡逑電壓；高溫測(cè)量時(shí)，應(yīng)注意樣品溫度的均勻性；對(duì)Ｓｅｅｂｅｃｋ系數(shù)的測(cè)量，電勢(shì)逡逑差和溫度需要同時(shí)同點(diǎn)取數(shù)據(jù)等。逡逑Ｈｅａｔ邋油邋ｓｏｒｂｅｄ逡逑Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ逡逑＝拋枿邐／邋＋ｃ＿逡逑＼邐ｅ邋咖邋ａｃｔｉｏｎ逡逑／Ｈｅａｔ邋ｒｅｊｅｃｔｅｄ邐＼逡逑Ｈｅａｔ逡逑Ｈｅａｔ邋ｆｌｏｗ邐Ｉ逡逑圖１．２邋ｎ型熱電能量轉(zhuǎn)換器件結(jié)構(gòu)示意圖。器件工作時(shí)的熱流向和逡逑載流子流向如箭頭所示。逡逑如前所述，熱電效應(yīng)最早發(fā)現(xiàn)是在金屬之中，而現(xiàn)如今，利用Ｓｅｅｂｅｃｋ效逡逑應(yīng)制作的金屬熱電偶（Ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ）則被廣泛地應(yīng)用于溫度測(cè)量

ＺＴ邋＝——Ｔ逡逑Ｋ逡逑其中，Ｓ、ａ、ｋ和Ｔ分別為Ｓｅｅｂｅｃｋ系數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和溫度。圖１．３逡逑為當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的各溫區(qū)高性能熱電材料匯總［７］。逡逑４邋Ｏ邋ｊ￣１邐＇邐１邐＇邐＊邐＇邐１逡逑■邐產(chǎn)１％n臢BＡＳＴ邋㈨？逡逑；：ＡＬＴ邐．蒙：逡逑’邐ｊｆｊ邋／邋ＡｇＳｔ＞Ｔ？，邐：邋ＴＡＯＳ邋（ｐ）＂逡逑？邐ｉｆｌ／／Ｙｂ，４ＭｎＳｂ？！邋（ｐ）逡逑ＮＪ邋０．８－邐＿邋／＞／邐／＼＾Ｔｅ邐－逡逑：逡逑ｏ．ｏ－邋一＾邐．逡逑０邐２００邋４００邐６００邐８００邋１０００邋１２００邋１４００逡逑Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，邋Ｋ逡逑圖１．３目前發(fā)現(xiàn)的各溫區(qū)高性能熱電材料匯總。逡逑因?yàn)橐话憬饘僦械妮d流子濃度高達(dá)１0２２邋ｃｍ°，因此金屬的Ｓｅｅｂｅｃｋ系數(shù)極逡逑小，相應(yīng)熱電優(yōu)值ＺＴ也很低。二十世紀(jì)五十年代以來，半導(dǎo)體材料科學(xué)發(fā)展逡逑迅速，在電子學(xué)領(lǐng)域取得長(zhǎng)足進(jìn)步的同時(shí)，也為高性能的熱電材料提供了一種逡逑選擇。目前己獲得的高性能熱電材料均系半導(dǎo)體材料，并且還是重?fù)诫s的半導(dǎo)逡逑體

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 史迅;席麗麗;楊炯;張文清;陳立東;;熱電材料研究中的基礎(chǔ)物理問題[J];物理;2011年11期

本文編號(hào)：2804009