【正文】 同樣 的 方法 ，我們 測量熱電壓兩次，第一次使用一個加熱器，然后 使用另一個 。吉時利 2400源米 被應(yīng)用于提供 直流電壓，并 通過兩個加熱器導線（圖 ， HI1HI2） 測量直流電流，而吉時利 2182A納伏表是用來測量熱電壓（ 6個測量的 平均 數(shù) ） 。 從單一的加熱器上得到的 焦耳熱 (P=I2R)用于局部加熱基板，并創(chuàng)建一個沿納米線的溫度梯度。設(shè)備 根據(jù) 進行制作（圖 ）。 熱電勢和電導率 。加熱器中電流的反轉(zhuǎn)沒有改變信號或顯示的熱電壓的幅值。右邊的（深灰色）和左邊的（黑色，淺灰色）加熱器都被用來確認熱電壓的正確 的信號反轉(zhuǎn)。圖 像顯示了當電流通過電子束加熱器逐步增加的時候，兩個溫度計的電阻的 同步 記錄 過程。整個測量保持 高真空（ c），壓力 用 離子 壓力 控制器（ d）記錄。 B）突破箱（ a）用于連接設(shè)備上的所有導線和 開關(guān)矩陣 的 。吉時利 2400源米（ d）是將直流電流通向加熱器以 產(chǎn)生溫差。吉時利 707A開關(guān)矩陣（ a） 用于在 儀器和設(shè)備 之間的 連接 選擇 。電導率 的 測量為 4點， 其中電流通過外 導線 的硅線 (A1A2B1B2 )，然后記錄下內(nèi)導線之間的 電壓 （ T LI1,2 T LV1,2 T RI1,2 T RV1,2） 。兩 只溫度計 (TLI1,2TLV1,2TRI1,2TRV1,2)之間的熱電壓（ VP）需測量 。 溫度梯度是由焦耳加熱的加熱器確立的 。 在圖 ，可用于 測量由優(yōu)值（ ZT）組成的每個參數(shù) ，即熱電 勢 ，電導率和熱導率。 C） A的 高分辨率圖像，呈現(xiàn)出 銅件芯片載體和 鍍金 低溫恒溫器手柄的緊密接觸 。帶有裝配設(shè)備的硅晶片 本被固定在 芯片載體的頂部。 在 測量 之 前，低溫恒溫器室 （賈尼斯 VPF475）與菲佛渦輪泵 TSH071E泵冷卻到 ~107托 。該裝置是 由電線連接到一個定制的芯片載體上，該芯片載體由銅件制成并和晶圓緊密接觸（圖 ） 。 蝕刻 后 設(shè)備應(yīng) 立即被放置在一個特制的真空室 并且硅需立即 用 XeF2（ ） 進行 蝕刻，納米線和 加熱體 從底層硅手柄 釋放出 。 聚甲基丙烯酸甲酯中 一個大窗口 隨著 EBL打開 ，其中包括該 從 納米線 到大金焊盤 的所有區(qū)域 ，但排除了 一個包括加熱器和納米線的 ? 10微米 乘以 20微米 的區(qū)域 ，這 個區(qū)域 仍然是由聚甲基丙烯酸甲酯保護 的 。聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMA950， 6％）是晶圓設(shè)備上面的紡 （圖 ） 。最后，聚甲基丙烯酸甲酯表層在氧等離子體（ V）中被移除。聚甲基丙烯酸甲酯是設(shè)備（ I）上的纖，并 除了納米線和加熱器之外，一個大窗口隨著 EBL（ II）打開。 10nm的硅納米線晶格的間距為 50納米，而 20納米的硅納米線晶格的間距是 35 納米。插圖顯示在金屬接觸之前的具有單片接點的10nm硅納米線。 C） 21條并聯(lián)的 10nm 硅納米線。加熱器和所有的導線都是由鉑制作，并附有一層薄薄的鈦。熱電壓也是由這兩個溫度計（ iii）測量。 典型設(shè)備的 掃描電 子顯微鏡（ SEM）圖像 用來 測量 10 nm 和 20 nm的熱電勢和電導率 （如圖 所示） 圖 ： A）一設(shè)備用于測量熱電勢和電導率的掃描電子顯微鏡。在 丙酮 提離值 之后， 產(chǎn)生氣 體（ 95％ N2， 5％ H2） 的設(shè)備 退火 到475℃ 并 保持 5分鐘。在緊接金屬化之前，設(shè)備進行了簡單的氧等離子體（ 20 毫托，20sccm， 10W） 30 秒處理，再是 4 秒鐘的 BOE 溶液浸泡，清水沖洗和氮氣吹干。 將晶格分成 適當數(shù)量 的納米線后 ， 電加熱器 被 電子束光刻以及 10 納米鈦和 100 納米的鉑蒸發(fā) 限定 。 在熱導率的測量 中， 通常 用 100 到 150 納米線來提高 信噪比。 關(guān)于熱電勢的測量 ，每臺設(shè)備 由 約 長 3微米的 10 納米線 組成 。 鉑 納米線如第一章所述 被沉積于晶圓的表面。 這種晶圓是利用第一章詳細介紹的 自旋擴散摻雜方法 P型摻雜的 。我們相信在室溫下使納米硅線的 ZT值大于 3是可能實現(xiàn)的， 同時 ，除了以上提到的方法， 我們也在討論新的策略去改善其熱電性能。因此， 高熱電效應(yīng)（由于聲子曳引），高電導率（由于高的摻雜濃度）和低熱導率（ 由于聲子邊界散射 ） 這 些因素共同的且相對獨 立的 使納米硅線的性能系數(shù)明顯優(yōu)于 塊體硅材料。 塊體半導體材料中 聲子曳引只有在極低溫度下或者極低摻雜濃度下才能出現(xiàn)。與 塊體材料相比，高摻雜 硅 納米線 在熱導率下降的同時電導率并沒有顯著 下降，反而保持了較高的電導率。 在這篇文章中，我們主要探究 摻雜度、直徑和溫度對納米硅線 ZT 值的影響。 目前盡管利用 VLS技術(shù)可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的 硅 納米線，但是還未達到 同時進行 多參數(shù) 控制 的水平 ，此水平 是對納米硅線的熱電學性質(zhì)進行綜合研究的必須條件 。這還將面臨許 多的挑戰(zhàn) ，包括 精確控制摻雜度、直徑和納米線的長度， 同時保證與中高摻雜的納米硅線 保持高質(zhì)量的 電觸點。 然而，到目前為止，還沒有關(guān)于 硅 納米線 的熱電 優(yōu)值 的報道。 作為微電子產(chǎn)業(yè)的支柱， 硅已經(jīng)被深入研究 ， 并且 已經(jīng)很好的建立了 硅的 微 /納米制造技術(shù) 。 特 別是納米硅線 (SiNWs)，與薄膜結(jié)構(gòu) 和塊體單晶硅 相比表現(xiàn)出 對熱導率的 大小依賴性減小。更近 的報道是 ， 800K溫度下 ZT值為 ~ AgPbmSbTe2+m立方塊體納米復合 材料 已經(jīng)被論證 。 Venkatasubramanian 等人 已經(jīng)在室溫下使用 Bi2Te3和 Sb2T3的 薄膜 超晶格 取得 ~ ZT值 。因此有效減少熱導率的納米結(jié)構(gòu) 也 有那樣級別的大小。 利用超晶格、納米線及納米粒子 ， 就 可能 采用 除 短波聲子之外的 中波和長 波聲子散射 來 擊敗 合金 限制 。kT) ， 但聲子介導的熱量傳輸卻是寬頻的。材料的大小可能 小于聲子的平均自由通道而大于電子和空穴 ，這樣可以在不明顯改變 電運載的情況下 減少熱導率 。 金屬單壁納米管依 然是唯一的 已經(jīng)被實驗清楚證實的 ， 可以被莫特公式 （ Mott formula） 描述過程 的 一維系統(tǒng) 。 已經(jīng)有這樣的假設(shè)，通過 利用態(tài)密度（ DOS）的 高 峰來 匹配 費米能級 (EF)的位置 也許可以極大地放大其熱電效應(yīng)。 金屬的熱電勢或減少摻雜率的半導體與 原木態(tài)密度（ DOS）的導數(shù) 成比例 。在過去的 十 來 年 中 ， 熱電性能的 量子限制效應(yīng)得到了更多的關(guān)注。 至少就目前來說，更好的塊體材料的研究已經(jīng)步入 僵局。 由于聲速的降低，具有高原子量的材料的熱導率也降低。相反，高摻雜的半導體材料 則表現(xiàn)出更低的熱電 效應(yīng)，正如我們的介紹， 如果將材料納米構(gòu)型到一維聲子局域 ， 這種情況就可以有效的改進 。因此，在不導致電導率明顯降低的情況下 ，通過聲子可以降低半導體的熱導率。 因此金屬是一種較差的熱電材料。 金屬具有較低的賽貝克系數(shù)，其中的電子和空穴 的熱擴散 很大程度地 抵消了熱電壓 。 傳統(tǒng)上， 高 摻雜 的 半導體材料是 最優(yōu)的 ZT材料 。然而最大化 ZT 值 的主要挑戰(zhàn)在于這三個構(gòu)成 ZT 值 的參數(shù)并不是相互獨立的 。 T 是溫度值， S 是每一度溫差所產(chǎn)生的熱電電壓（ Vp）的熱電 率 (又稱 Seebeck 系數(shù) )， 定義為： 熱電學研究的最主要 問題 就是 如何 增加無量綱優(yōu)值系數(shù) ZT。毋庸置疑 ，熱電學是一個非常具有前景的領(lǐng)域，但目前 高效率轉(zhuǎn)換設(shè)備的研制是 其 發(fā)展的瓶頸所在 。 例如， 碲化鉍合金的熱電制冷設(shè)備制作的 便攜 式 飲料存儲器、 電腦的中央處理器（ CPU） 或者 紅外探測冷卻系統(tǒng)。 然而， 由于 熱電設(shè)備 與 常規(guī) 發(fā)電 機 和壓縮制冷設(shè)備相比 的低效率， 使其依然難以廣泛應(yīng)用。 熱電 用于常規(guī)電能發(fā)電 和制冷 方法 的 主要優(yōu)勢在于 運轉(zhuǎn)件 和有毒氣體 的缺失 ，以及其穩(wěn)定性和 利用廢熱的發(fā)電 潛能 。 與之相反，帕 爾帖效應(yīng) 描述 了帶有 電流的 材料中熱梯度的發(fā)展 。 在 賽貝克效應(yīng) 中 ， 由于 受熱激發(fā)的帶電 載流子在溫度梯度下的擴散 ，一種材料的溫度差 可以造成 熱冷兩 端的電壓差 。第 5 章 硅納米線在高效熱電材料領(lǐng)域的應(yīng)用 熱電學是一個古老的學科 ， 由于新的納米材料的不斷出現(xiàn) ，正在經(jīng)歷著飛躍式的發(fā)展。 熱電學的基本原理建立在 19世紀發(fā)現(xiàn)的 闡述 材料 熱電梯度轉(zhuǎn)換的兩種效應(yīng)。 這種效應(yīng)常被用于 發(fā)電。這種效應(yīng)常被用于制冷和冷卻設(shè)備。 熱電設(shè)備 的可擴展性 對 集成電路 熱 控制 產(chǎn)生了巨大吸引力 ， 對現(xiàn)今微電子學形成最大挑戰(zhàn) 。 因此，至今實際應(yīng)用 的 熱電 裝置是那些 可提供 便利和可靠性超過 經(jīng)濟支出 的為數(shù) 不多的設(shè)備。 同時，美國航天局的深空探測器也使用熱電發(fā)電機作為能量來源。 一種熱電材料的效 率常表示為無量綱優(yōu)值系數(shù) ZT: 其中 σ 是材料的電導率， K 是熱導率。從公式 ()可以看出， 也許可以通過增加 材料的 賽貝克系數(shù)（ S）， 最大化σ來最小化焦耳熱量損失， 或 通過 最小化κ 減少熱滲透 來實現(xiàn)這一目的 。 最好的熱電學材料被歸納為聲子玻璃電子晶體。絕緣體的熱導率低，但同時電導率也較低。另外， 金屬 在室溫下被電子控制的 熱導率 通常與其電導率成比例 ，被稱為韋德曼 法蘭茲定律（ WiedmannFranz law）。 在半導體中，熱導率主要受到電子 (κ e)和聲子 (κ ph)的影響，其中聲子一般起主要作用 。 一般 來說 ，輕摻雜的半導體材料 有更大的塞貝克系數(shù)和低電導 率 。 傳統(tǒng)上， 在不影響 S 和 σ 值的情況下， 減少塊體 材料的κ值的方法是使用 高原子量的半導體材料（ 例如碲化鉍 （ Bi2Te3）以及其與 銻 （ Sb）、 錫 （ Sn） 和鉛 （ Pb）的合金 等 ） 。 然而這種方法卻不能生產(chǎn)出 廣泛 用途上 的 ZT3 的 塊體 材料。 不過，目前納米科學的發(fā)展在突破當前限制 并 改善熱電材料 性能指數(shù) 方面還是有很大前景。 Dresselhaus 的工作首次激發(fā)人們用低維 結(jié)構(gòu) 方法去改良熱電材料的 電子性能。 n(E)與能量相關(guān)，以費米能級 (EF)評價： 通過利用大小與電子波長相當?shù)募{米 構(gòu)型 半導體材料 ，電子的態(tài)密度可以形成 高 峰。 此外，電子的遷移率和電導率也將增加， 會進一步增加半導體材料的 ZT 值 。 先前已經(jīng)意識到 與電子的量子限制相比， ZT 值 的潛在改善更多的依賴于聲子的波動與 傳送。然而，盡管熱電材料中的電荷傳輸幾乎是單能的 (E=EF177。 在結(jié)晶固體中具有最低熱導率的是 合金 ， 與被短波聲子散射控制的“合金限制”有關(guān) 。 在室溫下，占主導地位的熱 載 聲子通常有 10100nm 的平均自由通道 。 納米材料增加 ZT 值 的報告已經(jīng) 提供 了控制聲子 在熱電材料中 波動 的 重要性的第一組實驗證據(jù)。另外， 也 有報道 說 取得 ZT 值為 ~ 的 PbSeTe/PbTe 的量子點超晶格 。 除了超晶格和量子點結(jié)構(gòu)， 與塊體材料相比 納米線也可以顯著減小聲子介導的 熱導率 。 導致納米硅線熱導率下降的主要原因在于邊界散射 。這使得硅成為 了 很有希望的熱電 應(yīng)用的備選材料。 這并不完全令人驚訝，由于 熱電勢的同步測量， 電 熱導率 與溫度 具有相同的功效是非常困難的 。另外，通過測量大量不同的特定納米硅線獲得 有統(tǒng)計學意義的資料也是很有必要的。 在本文先前章節(jié)介紹的 關(guān)于此理論的 SNAP 方法是進行這方面探究 的理想 方法 。 正如以上所示，我們論證了納米硅線與塊體材料相比有更低的熱導率 。 如上所述，盡管在高摻雜（ ~1020 cm3） 納米硅線，其熱電效應(yīng)和塊體材料一樣與溫度呈 比例，然而在低摻雜的納米硅線（ ~3e19 cm3）則能在室溫下表現(xiàn)出聲子曳引 的 現(xiàn)象 。 我們相信 納米硅線中出現(xiàn)的 聲子曳引是由于其低熱導率和增加的長波 聲子弛豫時間共同造成的。觀察到的最大 ZT 值在 200K 下得到~ 且在 300K 下得到 。 實驗方法 熱電 設(shè)備 制造程序 制作熱電設(shè)備的 初始基座 是使用熱氧化法和 BOE 濕蝕刻 法獲得的厚度在 2035nm層厚 的 硅絕緣體 智能剝離 晶圓 。 隨后，剩余的聚合物薄膜使用丙酮、水和 BOE 液交替 沖洗。 7 納米 至 10 納米寬的納米 線，在 轉(zhuǎn)移到硅 外延 層 模式之前 ，電子束光刻（ EBL）和鈦 /鉑（ 5 納米 /30 納米） 蒸發(fā) 先 用來 劃分平面硅接觸（第 1 章） 的 兩個大焊盤 ，其 相距 約 1微米 。有時，特別是在 輕 摻雜 10nm 納米線的情況下， 同時使用更多的 納米線 （ 40100） 以獲得可靠的電導率和熱電壓。 每臺設(shè)備的熱導率和電導率只有一條線， 然而 熱電壓 采用 一組 線 。 下一步，由 EBL 和 10nm鈦和 180 nm 的 鉑蒸發(fā)在硅納米線的頂端產(chǎn)生了四個金屬觸點。 這一步 足以在硅和鈦之間以獲得良好 的電觸頭 。 用于 引線接合 的金 焊板（ 10nm 鈦 ,250nm金）用光刻方法 劃分為 芯片載體。溫度差是由兩個當中的其中一個加熱器（ i）產(chǎn)生的并由 2個 4點電阻溫度計（ iii）測量。納米線電阻由 4點法測量，其中兩條外導線（ ii）通以電流及電壓是在兩內(nèi)導線 (iii)之間的測量