本文采用直流磁控濺射的方法在透明玻璃襯底上制備摻鋁氧化鋅(ZnO：Al，AZO)薄膜，系統(tǒng)研究不同襯底溫度對AZO薄膜熱電性能特性的影響。實驗結(jié)果表明：所制備的薄膜均呈現(xiàn)出N型熱電半導體特性。在所制備的樣品中，當襯底溫度為250℃時，薄膜樣品的電導率具有最大值，為1.35×10⁵S/m，但該樣品的塞貝克系數(shù)較�。划斠r底溫度達到400℃時，所制得的薄膜樣品在測試溫度為503K時，塞貝克系數(shù)絕對值和功率因子達到最大，分別為96LV/K和712×10^-4 W/mK²。不同襯底溫度條件下沉積的AZO薄膜均呈現(xiàn)出六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具有明顯的c軸擇優(yōu)取向，隨著襯底溫度的增加，薄膜表面顆粒致密度增加，結(jié)晶情況改善。通過表面形貌和剖面分析可知：與其他薄膜樣品相比，襯底溫度為400℃時，薄膜樣品出現(xiàn)更明顯的柱狀生長趨勢，微結(jié)構(gòu)的改變可能是使該薄膜樣品熱電性能改善的重要原因之一。

　　隨著世界環(huán)境污染和能源危機的加劇，能源緊缺是當今世界所面臨的重大挑戰(zhàn)，如何將低品位熱(如工業(yè)廢熱余熱、地熱、太陽能等)轉(zhuǎn)變成電能，已成為人們越來越感興趣的研究課題。熱電材料是一種利用材料內(nèi)部的載流子運動以實現(xiàn)熱能和電能之間相互轉(zhuǎn)換的功能材料，把熱能有效地轉(zhuǎn)換為電能的溫差發(fā)電技術(shù)中最為核心的材料。因此，近年來，熱電薄膜材料成為新材料領(lǐng)域的研究熱點。

　　氧化鋅是一種典型的N型氧化物半導體，在室溫下其禁帶寬度約為3.3eV，具有較高的激子束縛能60meV。長期以來，對ZnO薄膜的研究主要集中在壓電性，透明導電性、光電性、氣敏性以及P型摻雜方面。近年來，人們發(fā)現(xiàn)通過在ZnO薄膜中摻入合適的元素，諸如Al、Ga或者In等，可導致氧空位以及Zn填隙離子的存在，使得氧化鋅基摻雜的薄膜具有較優(yōu)的導電性能。其中，摻鋁氧化鋅因其原料豐富、價格低廉、材料無毒、易于摻雜、制備溫度低和具有氧化物熱電材料的高溫熱穩(wěn)定性等優(yōu)點，逐漸成為了備受關(guān)注的熱電材料之一。所以，研究AZO熱電薄膜的制備技術(shù)以及制備參數(shù)等，提高其熱電性能將是今后ZnO作為熱電材料的重點內(nèi)容。由于目前ZnO基熱電薄膜熱導率本身較低，且測量困難，因此目前大部分的研究報道都以提高熱電薄膜的功率因子為目的進行探索。如K.Park等通過添加鋁，替代(ZnO)mIn2O3中的Zn，從而提高了ZnO的熱電性能，(Zn0.992Al0.008O)mIn2O3樣品的功率因子在溫度為1073K時最大為1.67×10^-3 Wm^-1 K^-2；Y.Inou℃等通過脈沖激光沉積的方法在室溫下制備AZO薄膜，得出在643K時，AZO樣品的塞貝克(S℃℃b℃ck)系數(shù)最大為135LV/K，此溫度下對應的電導率和功率因子分別為1.01×10-48m和1.79×10-4W/mK2。

　　目前制備AZO薄膜的方法，主要包括磁控濺射、脈沖激光沉積、分子束外延化學氣相沉積、溶膠-凝膠、噴涂熱分解法等。其中磁控濺射以其沉積速率高、成膜質(zhì)量好、與襯底附著力強、制備成本低且適宜大面積生產(chǎn)等優(yōu)點，頗受人們的青睞，制備靶材可采用Zn/Al合金靶或AZO陶瓷靶。利用磁控濺射法制備AZO薄膜，襯底溫度不僅會影響到襯底表面載流子的遷移率，也會影響到薄膜的再蒸發(fā)過程，進而影響薄膜的性能。因此研究襯底溫度對AZO薄膜的微結(jié)構(gòu)和熱電性能的影響，探索高性能AZO熱電薄膜的最佳制備工藝具有重要的科學意義。

　　因此，本文采用AZO陶瓷靶，用直流磁控濺射的方法在不同溫度的玻璃襯底上生長AZO薄膜，通過對所制備薄膜進行微結(jié)構(gòu)、熱電性能的檢測和分析，研究襯底溫度對所制備的AZO薄膜熱電特性影響的變化規(guī)律。

1、實驗

　　采用直流磁控濺射法，在厚度為2mm、直徑為30mm的BK7玻璃基片上沉積AZO薄膜。所選用靶材為AZO(ZnO98%：Al2O32%(質(zhì)量比))陶瓷靶。實驗前，玻璃基片在丙酮中浸泡5min，然后在無水乙醇和去離子水中各超聲清洗5min，擦洗干凈備用。開始制備AZO薄膜，抽真空直到腔內(nèi)壓力降至6.0×10-4Pa以下；通入99.99%的純氬氣工作氣體，流量為40mL/min(標準狀態(tài))；通過插板閥調(diào)節(jié)濺射壓強為0.4Pa左右；調(diào)節(jié)濺射電壓與電流使濺射功率約為100W；為去除靶材表面的雜質(zhì)，進行5min的預濺射；然后打開擋板開始鍍膜，濺射時間為30min；襯底溫度分別為100℃，150℃，200℃，250℃，300℃，350℃和400℃共七個樣品，標注為B1、B2、B3、B4、B5、B6和B7。采用X射線衍射(XRD)儀、掃描電子顯微鏡(XPS)和能量色散譜(S℃M)儀測量薄膜的微結(jié)構(gòu)和成分組成；薄膜的熱電性能則采用薄膜Seebeck系數(shù)測量儀(SDFP-I)以及四探針法進行表征；采用F20Film℃trics薄膜測量儀測量薄膜的厚度。

3、結(jié)論

　　本文采用直流磁控濺射技術(shù)制備AZO熱電薄膜，研究熱電薄膜的微結(jié)構(gòu)和熱電性能隨襯底溫度的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，所制備的薄膜為N型熱電的半導體材料，隨著襯底溫度的升高，薄膜的熱電性能得到了一定的改善，當襯底溫度為400℃時，薄膜樣品的Seebeck和功率因子為所有樣品中最大的。不同襯底溫度條件下沉積的AZO薄膜均具有明顯的(002)擇優(yōu)取向，ZnO薄膜均具有明顯的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)；因此，利用直流磁控濺射技術(shù)制備AZO薄膜，襯底溫度的選擇對AZO薄膜的熱電性能至關(guān)重要。