單晶硒化錫的熱電性質之探討

Abstract

近來硒化錫(Tin selenide, SnSe)被報導在中溫區具有一熱電優值係數為2.6的極佳熱電表現，引發相當的關注。其具有非常低的熱傳導率以及適當的載子傳輸性質。硒與錫元素皆是地球殼中豐富的元素，且硒化錫是對人無毒且對環境無害的化合物，相較於其他高性能熱電材料(一般由稀少元素/貴金屬組成)，具有非常大商業化的潛力。硒化錫本身為非常穩定的層狀結構，表現出極低的熱傳導率以及良好的導電性。為了更深入探討其本質特性，本論文以垂直式布裡茲曼法（Vertical Bridgman method）成長硒化錫單晶SnSe1+x (x=0~0.01)。利用X-ray繞射(XRD)與電子探針顯微分析儀(EPMA)來分析材料的晶體結構與鑑定材料的組成;利用掃描穿隧式顯微鏡(STM)來分析原子表面排列與樣貌與其態密度的分佈;利用差式掃描儀(DSC)觀察到硒化錫在800 K有一結構相變，其晶格對稱性由Pnma相轉變成Cmcm。將晶體的三個軸向利用三環繞射儀確認之後，將樣品沿著三個軸向切出，接著量測300 K至930 K之間的席貝克係數、電阻率和熱傳導率，並計算其功率因數與熱電優值係數。我們發現硒化錫(x=0)沿著b與c方向在850 K附近皆具有一個功率因數極值為0.8 mW/mK2;而沿著b方向在850 K具有一熱電優值極值為1.0。接著我們利用增加單晶中硒的比例來產生錫空缺(改變費米能階位置)，藉此調控並增加其載子濃度，並增加導電度。我們發現的當硒的比例增加，300~900 K的功率因數整體變大，尤其在室溫部分功率因數增加超過兩倍。這主要是因為費米能階接近價帶或進入價帶的結果。功率因數的提升對熱電優質造成顯著的貢獻，x=0.005(c軸)在800 K附近，熱電優值約為1.15。