【引言】
Mg2X（X=Si，Sn，Ge）半導(dǎo)體化合物及其固溶體由于其熱穩(wěn)定性、低成本、無毒性、地球地殼成分豐度、環(huán)境友好、低密度、同時提供N和P型導(dǎo)電等優(yōu)點而受到越來越多的關(guān)注。目前，對Mg2X化合物的研究大多局限于n型材料，開發(fā)p型化合物仍是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。
【成果介紹】
采用磁控濺射法在氬氣氛中制備了Mg-Sn薄膜(21≤at. % Sn≤42.5)。薄膜的結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征是組成的函數(shù)。隨著薄膜中Sn含量的增加，Mg2Sn結(jié)構(gòu)由穩(wěn)定的面心立方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)定的正交結(jié)構(gòu)。討論了在較廣溫度范圍內(nèi)（30-200 C），這種結(jié)構(gòu)改變對溫差電性能的影響。測量了薄膜載流子濃度和遷移率，以解釋作為薄膜結(jié)構(gòu)修飾函數(shù)的電子傳輸行為。當(dāng)Sn含量為36at.%時，在200℃品質(zhì)因數(shù)達到最大值ZT≈0.26。此時，立方和正交的Mg2Sn結(jié)構(gòu)共存。在真空 （~10-4Pa）下，在不同溫度（最高600℃）下進行退火處理，以確定薄膜結(jié)構(gòu)和形態(tài)穩(wěn)定性的極限。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1：用能量色散X射線能譜（EDS）測量的薄膜中Sn原子濃度隨濺射功率比的變化。
圖2：a）玻璃襯底上沉積的Mg-Sn鍍層的x射線衍射圖與Sn原子濃度的關(guān)系。在b) 2θ=34°-38°，c) 2θ=35°-50°時的放大倍數(shù)。
圖3：在真空（10-4Pa）下，將36at.%Sn沉積在玻璃基板上并在2個不同溫度下退火的薄膜的X射線衍射圖。
圖4：在玻璃基板上沉積的Mg-Sn薄膜的SEM顯微照片：頂面圖像與成分。
圖5：掃描電鏡斷面圖與玻璃基板上沉積的Mg-Sn薄膜成分的關(guān)系。
圖6：在真空（10-4pa）條件下，600℃退火2小時后，在玻璃基片上沉積36at.%Sn的薄膜（a）頂面觀測和（b）X射線成像。
圖7：用霍爾效應(yīng)測量空氣中MgSn薄膜的電子輸運特性。a）直流電阻率，b）載流子濃度，c）載流子遷移率與溫度，d）載流子遷移率與載流子濃度。
圖8：在真空（10-4pa）下用TFA系統(tǒng)測量Linseis晶片上沉積薄膜的熱電性能。（a）導(dǎo)電性，（b）Seebeck系數(shù)，（c）導(dǎo)熱系數(shù)和（d）ZT與溫度的比值。
【結(jié)論】
采用磁控共濺射法沉積得到Mg-Sn薄膜（21≤at.% Sn≤42.5）。薄膜結(jié)構(gòu)受Sn原子濃度的影響。含21≤at.%Sn≤25的薄膜具有fcc-Mg2Sn結(jié)構(gòu)，第二相為Mg。后者消失，fcc-Mg2Sn結(jié)構(gòu)在30≤at. %Sn<33.5范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。35≤at.%Sn≤37.4的薄膜表現(xiàn)為立方和正交Mg2Sn相的混合物。含37.6到38的at.%Sn的薄膜為正交Mg2Sn結(jié)構(gòu)。
對于含39.5≤at.%Sn≤42.5的涂層，具有二次相Sn的正交晶系Mg2Sn結(jié)構(gòu)共存。在真空條件下，研究了立方和正交混合相樣品的熱穩(wěn)定性（36 at.%Sn的薄膜）。在300℃之前，混合結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。當(dāng)退火溫度從350℃升高到500℃時，正交相轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较?，并開始形成Sn的第二相。在500℃以上，Mg2Sn薄膜完全分解為Mg和Sn。隨著正交Mg2Sn結(jié)構(gòu)的形成，ZT值較立方Mg2Sn結(jié)構(gòu)的薄膜有所提高。正交Mg2Sn涂層的ZT值隨溫度的升高而增大。當(dāng)立方和正交Mg2Sn相（36at.%Sn）共存于薄膜中時，在200℃時，ZT的最高值為0.26。
