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随着微电子集成技术的快速发展, 高效散热已成为解决高集成度微电子系统中超高热流危害突出问题的唯一选择. 基于帕尔帖效应的热电薄膜 面内制冷技术有望为电子元器件高效面内散热提供有效解决方案[1], 但目前热电薄膜太低的电输运性能是制约其在该领域应用的瓶颈[2,3]. 热电材 料的热电效率决定于无量纲热电性能优值zT = α2σT/κ, 其中α, σ, T和κ 分别是Seebeck系数、电导率、绝对温度和热导率. 电输运性能决定于功率因子α2σ. 然而, 这些参数相互耦合会导致难以通过单独调控它们获得高zT. 近年来, 在热电领域内优化载流子浓度、调整电子能带结构和增强声子散射提高zT方面已经取得了一些重要进展[4–8], 但仍然不能满足当前商业化市场对热电材料性能的要求.
传统观点认为, 磁性杂质是降低热电性能的不利因素. 然而, 自2017年Zhao等[9]发现磁性BaFe12O19纳米粒子的电子库效应可以有效抑制本征激发温度区的热电性能劣化, 超顺磁性Fe, Co和Ni纳米粒子产生的电子多重散射效应[8]可以明显增强热电性能. 自此, 磁致增强热电性能的相关研究吸引了广大研究人员的关注. 特别是近年来, 在低温热电体系中也观察到了磁致增强热电性能现象, 如n型Bi2Te3-xSex[10,11]和p型Bi2-xSbxTe3[12–14]. 自此, 磁致增强热电转换性能的7种热-电-磁耦合效应先后被发现并被总结[15]. 此外, 磁性纳米粒子Co[16]和Ni[17]增强薄膜的电热转换性能也已先后被报道. 然而, 在所有这些磁性增强纵向热电转换性能的多学科交叉研究中, 磁性作用总是源于局部磁矩对导电电子的电荷散射. 而到目前为止, 尽管磁性引起的自旋相关散射对横向热电效应的贡献已被广泛报道, 但磁性引起的自旋相关散射如何调控纵向热电效应中电热输运行为尚不清楚[18–22].
为揭开纵向热电效应中磁性和导电电子自旋之间的神秘面纱, 本研究在BST/环氧树脂热电薄膜中嵌入强铁磁性Fe纳米粒子作为磁性功能基元, 成功引入取向随机的局部磁矩. 输运性能研究发现, Fe/BST/环氧树脂热电磁薄膜室温附近功率因子高达2.87 mW/(K2⋅m), 远高于已报道的Bi2Te3-基热电薄膜的值. 磁学测试表明, Fe局部磁矩与导电电子之间的自旋相关散射增强热电磁薄膜的Seebeck系数, 高的BST(000l)择优取向增大其电导率. 此外, 在Fe/BST/环氧树脂热电磁薄膜中, 由BST(000l)择优取向诱导的正磁阻(MR+)与由自旋相关(SD)散射和弱局域(WL)效应诱导的负磁阻(MR–)不仅被证明可同时存在, 还可单独剥离出对应的贡献值. 本研究不仅揭示了BST(000l)择优取向因子与MR+之间的数学关系, 还为热电磁薄膜内自旋相关散射的存在提供了实验上的证据, 更好地完善了热电磁耦合效应的物理机制.
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热电磁浆料制备. 按一定比例称量BST粉、铁粉、环氧树脂、固化剂、催化剂和稀释剂, 并按以下步骤制备可印刷热电磁浆料: 1) BST铸锭被手工粉碎、筛选(120目)获得BST粉末; 2)用行星式球磨机制备系列片状xFe/BST复合粉(x = 0, 0.1%, 0.2%, 0.3%和0.4%), 商用Fe纳米粒子尺寸约为100 nm; 3)用机械搅拌器混合xFe/BST粉末、双酚F的二缩水甘油醚(环氧树脂)、甲基六氢苯酐(固化剂)、2-乙基–4-甲基咪唑(催化剂)和丁基缩水甘油醚(稀释剂); 4)超声分散前述有机/无机复合浆料, 得到均匀的可印刷xFe/BST/环氧树脂热电磁浆料.
Fe/BST/环氧树脂薄膜制备. 采用丝网印刷方法, 将xFe/BST/环氧树脂热电磁浆料印刷在厚度约为125 μm的聚酰亚胺衬底上, 形成制备xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜; 鼓风干燥后, 再采用自制的热压设备对热电磁薄膜进行热压固化处理, 得到BST晶粒具有(000l)择优取向的xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜, 其中单臂薄膜的厚度约为60 μm, 尺寸为4.0 mm×20.0 mm×0.06 mm, 且薄膜表面具有明显的金属光泽. 为了表述方便, 后文将Fe-NPs掺入量为x = 0, 0.1%, 0.2%, 0.3%和0.4%的xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜分别命名为Fe00, Fe01, Fe02, Fe03和Fe04. 此外, 为探索Fe引起的(000l)择优取向对xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜正磁阻(MR+)的贡献, 本研究通过改变压力获得不同的择优取向因子(F)值, 制备了一系列可以忽略负磁阻(MR–)的BST/环氧树脂热电薄膜, 压力分别为0, 4, 8, 12和16 MPa的相应样品分别被命名为#0Fe00, #1Fe00, #2Fe00, #3Fe00和#4Fe00.
xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的物相组成采用粉末X射线衍射仪(XRD, SmartLab, Rigaku Corporation, Tokyo, Japan)测试, 所用Cu-Kα波长为λ = 0.154186 nm. 采用赛默飞尔双像差校正透射电子显微镜(HRTEM, Titan Themis G2 60-300, Thermo Fisher, Oregon, USA)在300 kV下表征样品的微观结构, HRTEM样品采用聚焦离子束系统(FIB, Helios NanoLab G3 UC, Thermo Fisher, Oregon, USA)制备. xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜在室温的Seebeck系数α和电导率σ采用标准四探针法(CTA-3, 北京柯锐欧科技有限公司)在氦气环境下同步测量, 其中σ测量误差为±(5%—7%), α测量误差约为±5%. 采用多功能振动样品磁强计(VSM, VersaLab, Quantum Design INC., California, USA)测量不同温度、不同放样角度下磁化曲线(M-H)、高磁场下磁电阻(MR)曲线.
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xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的XRD谱如图1所示, 所有样品的特征衍射峰都能很好地与菱方结构的BST(JCPDS 49-1713)对应. BST的所有(000l)面的衍射峰都非常强, 表明这些薄膜中BST晶粒具有(000l)面择优取向. 当x > 0.2%时, 观察到与Fe3O4特征衍射峰相吻合的弱峰, 表明部分Fe-NPs在制备过程中已与氧原位反应成Fe3O4纳米粒子. 放大后图1(b)中所有BST的(
$01 \bar{1} 5$ )特征衍射峰并没有观察到明显移动, 说明Fe纳米粒子氧化反应原位生成Fe3O4纳米粒子对BST的晶体结构并没有产生影响.为定量研究Fe对xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的影响, 采用Lotgering方法[23]计算了所有xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜中BST(000l)择优取向的取向因子(
$F $ ):其中,
$\displaystyle\sum I(X), \sum I_0(X), \sum I(hkil) $ 和$\displaystyle\sum I_0 (hkil) $ 分别是择优取向样品和完全无择优取向样品的(X)和(hkil)衍射强度之和; P和P0分别是择优取向样品和完全无择优取向样品之和的比率. 所有样品的F值均采用(1)式进行计算, 结果列于表1, 随着Fe含量增加, Fe/BST/环氧树脂热电磁薄膜中BST的(000l)取向的F值先增后降, 且所有Fe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的F值均远大于BST/环氧树脂热电薄膜的F值; Fe02样品的F值最大, 达到0.41, 与Fe00相比增大了58%. 这些结果表明Fe可以进一步增强BST晶粒的(000l)择优取向.为研究xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜中Fe-NPs的存在形式, 采用HRTEM观察了Fe02中异质界面附近纳米尺度上微观结构. 图2(a)是Fe-NPs的流线型团聚体的HAADF-STEM图像, 图2(b)—(f)是Bi, Te, Sb, Fe和O元素的面分布. 可见, 靠近BST界面的部分Fe-NPs已经与BST晶粒表面吸附氧发生了原位氧化反应. 庆幸的是, Fe-NPs没有与Bi, Sb和Te元素发生化学反应, 而是作为第二相存在于xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜中.
为了研究Fe-NPs对xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜电输运特性的影响规律, 测量了室温下xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的电导率σ和Seebeck系数α. 如图3(a)所示, 随Fe-NPs增加, 这些样品的σ先增大后减小; 且所有xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的σ都比BST/环氧树脂热电薄膜的σ大得多. 在300 K时, Fe02的σ最大, 高达6.26×104 S/m, 是Fe00的1.7倍. 从BST的晶体结构可知, BST晶粒的(000l)面择优取向的增强利于热电磁薄膜的电导率和载流子迁移率. 从BST晶粒的(000l)面择优取向的取向因子的计算结果可知, 随Fe-NPs增加, 取向因子F值先增后降, 从而使得热电磁薄膜的σ值和载流子迁移率也先增后降. 因此, 所有xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜σ的增加都源于Fe-NPs引起了载流子迁移率的显著增大, 而载流子迁移率的显著增大主要源于Fe诱导的BST晶粒的(000l)面择优取向的增强. 一般而言, 当热电材料的σ降低时, 其α值会增大. 根据热电材料电热输运的传统认知, 所有Fe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的α值应该先减小后增大. 然而, 如图3(a)所示, 随Fe-NPs增加, α值先增后降, 其中α值的增大源于Fe-NPs诱导的自旋相关散射和弱局域钉扎效应(影响机理详见后面的磁电阻特征分析中负磁电阻部分). 这种不正常的现象说明, 在xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜中, 还有其他因素协同提高σ和α值, 因此, 需要对其相关的磁电效应进行研究. 所有xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的功率因子α2σ值如图3(b)插图所示. 可见, 所有样品的α2σ值随Fe增加而先增大后减小, 且所有xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的α2σ值均大于BST/环氧树脂热电薄膜的α2σ. 此外, 与BST/环氧树脂热电薄膜的α2σ值相比, 室温下Fe-NPs含量为0.2%的Fe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的α2σ值提高了78%. α2σ的提高源于σ显著增大和α轻微增大的共同作用.
为探索可协同提高σ和α值的因素, 对xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的磁学性能和磁电效应进行了研究. 如图2(a)所示, 在热压固化过程中, Fe-NPs重新排列, 导致Fe-NPs的团聚体变成流线型, 这种织构的各向异性必然导致磁各向异性(MA). 为了揭示xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的磁各向异性, 在300 K时分别测量了xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜面外和面内方向的磁化(M-H)曲线, 测量装置和测量结果如图4所示. 可见, 没有Fe的BST/环氧树脂热电薄膜(Fe00)在300 K时为抗磁性, 与已报道的结果一致[12,24]; 但所有带有Fe的样品在300 K时表现出铁磁性. 同时, 右下角插图中所有放大M-H曲线在零场附近均清楚地显示出一个小的磁滞曲线, 表明所有xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜都有一定磁剩. 值得注意的是, 每个xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜在300 K时面外和面内M-H曲线都有明显偏差, 这是源于MA的影响. 在Fe02中观察到最大偏差, 意味着Fe02具有最大MA. 此外, xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的面内各向异性场Hk明显变小, 表明薄膜的面内方向为易轴, 面外方向为难轴.
根据xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的M-H曲线, 还可以得到饱和磁化强度Ms、磁各向异性场Hk、矫顽力Hc和剩磁Mr. 另外, xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的磁各向异性能ΔE可以用计算平面内和平面外M-H曲线的积分面积之差表示; 有效磁各向异性常数Keff 值可用公式Keff = Ms·Hk/2计算得到. 所有这些磁性能参数详见表2, 随Fe-NPs增加, Ms, Hk, Keff和ΔE均是先增大后减小; 300 K时, Fe02的全部磁性参数最大, 其Ms, Hk, Keff和ΔE分别为122.17 emu/g, 14456.38 Oe, 8.83×105 erg/g和8.98×104 erg/g. 此外, Fe03和Fe04的Keff和ΔE减小可能源于Fe-NPs增加导致织构各向异性减弱.
为进一步了解MA的影响, 测量了xFe/BST/环氧树脂薄膜的各向异性磁电阻(MR). MR是由于磁场的存在而引起的电阻变化值, 可定义为
其中ρ(H, T)和ρ(0, T)分别是施加磁场H、不施加磁场H时样品在温度T下的电阻率. 根据科勒规则[25], Δρ/ρ的函数可以表示为
其中, FK函数的行为只取决于材料本身的性质[25]. 对于相同的磁场, H = 0 T时电阻率越小, MR越明显, 而类金属或简并半导体电阻随着温度的降低而变小. 因此, 研究MR的行为最好在低温下进行.
为了研究织构各向异性对MR的影响, 在50 K和1.0—2.5 T范围内测量了Fe00和Fe02的MR随磁场H与平面外方向之间夹角θ的变化曲线, 如图5(a), (b)所示. 可见, θ在0°—360°整个范围内, Fe00的所有测量MR(MRm)值都比Fe02的大, 且Fe00的最大
$ {{\Delta {\mathrm{MR}}}}_{{00}}^{\text{m}} $ ($ {{\Delta {\mathrm{MR}}}}_{{\text{max}}}^{\text{m}} - {{\Delta {\mathrm{MR}}}}_{{\text{min}}}^{\text{m}} $ )也比Fe02的大. 这些结果表明, Fe在三维块体材料和二维薄膜中的作用可能是不同的, 因为我们团队早前在三维块体材料发现了一个与薄膜材料相反的实验现象[13]. 类似的波浪状曲线(图5(a), (b))清楚表明, Fe00和Fe02的MR均源于热压固化过程中形成的强各向异性织构. 织构诱导的MR各向异性源于面内($ {\tau }_{{\mathrm{i}}{\mathrm{n}}} $ )和面外($ {\tau }_{{\mathrm{o}}{\mathrm{u}}{\mathrm{t}}} $ )弛豫时间的巨大差异, 因为BST材料$ {\tau }_{{\mathrm{i}}{\mathrm{n}}} $ 远远大于$ {\tau }_{{\mathrm{o}}{\mathrm{u}}{\mathrm{t}}} $ [13]. 因此, MA可能是Fe/BST/环氧树脂热电薄膜σ和α同时增大的原因. MA影响电输运特性的详细机制还需要其他磁电效应的测量结果加以证明.为进一步研究Fe对增强电热输运性能的有益作用, 在50—300 K和0—2.5 T条件下测量了xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜垂直于磁场H方向的MR. 如图5(c), (d)所示, Fe00和Fe02在所有测量条件下都表现出正的MR, 它们的MR均随H增大而逐渐增大, 且在所有测量温度下, 最大测试磁场2.5 T时也没有达到饱和. 同时, Fe00和Fe02的MR均随温度从300 K下降到50 K而逐渐增大, 且在所有测量条件下Fe02的MR都小于Fe00. 这些结果表明, 除了正磁阻(MR+)外, xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜一定存在负磁阻(MR–).
一般来说, MR+计算公式如下[13]:
其中, ωc是回旋频率, e是电子电荷, τ是载流子的弛豫时间, m*是载流子的有效质量, K是常数. 对于xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜而言, 因为同一磁场下Fe作为第二相几乎不影响能带结构, 所以m*是不变的. 由于BST的载流子在(000l)面上有最大τ和最小散射[26], BST具有(000l)面择优取向的BST/环氧树脂热电薄膜的τ必定增大. xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜沿(000l)面的取向因子F在表1列出. 因此, 由于Fe引起(000l)择优取向增大, xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的MR+应该增大.
为了探索Fe引起的(000l)择优取向对Fe/BST/环氧树脂热电磁薄膜MR+的贡献, 本研究通过改变压力获得不同的F, 制备了系列可忽略MR–的BST/环氧树脂热电薄膜, 压力为0, 4, 8, 12和16 MPa的相应样品分别被命名为#0Fe00, #1Fe00, #2Fe00, #3Fe00和#4Fe00. 如图6(c)所示, BST/环氧树脂热电薄膜的F值在0—16 MPa范围内随压力增大而逐渐增大, 从0.27增大到0.47. 在50 K下0—2.5 T的不同磁场中, BST/环氧树脂热电薄膜的正磁阻(
$ {\text{MR}}_{\text{\# }}^{+} $ )值结果如图7(a)所示. ΔF#是F#xFe00 (F#xFe00, x = 1, 2, 3, 4)和F#0Fe00之差, 即ΔF# = F#xFe00 – F#0Fe00; Δ$ {\text{MR}}_{\text{\# }}^{+} $ 是$ {\text{MR}}_{{\text{\# }}x{\text{Fe00}}}^{+} $ 和$ {\text{MR}}_{{\text{\# }}0{\text{Fe00}}}^{+} $ 之差, 即$ {{\Delta {\mathrm{MR}}}}_{\text{\# }}^{+} = {\text{MR}}_{{\text{\# }}x{\text{Fe00}}}^{+} - {\text{MR}}_{{\text{\# }}0{\text{Fe00}}}^{+} $ . 通过拟合ΔF#和Δ$ {\text{MR}}_{\text{\# }}^{+} $ 之间的关系曲线(图7(b)), 可得到$ {{\Delta {\mathrm{MR}}}}_{\text{\# }}^{+} = {K_0}{{\Delta }}F_\# ^y{H^2} $ , 最终的拟合方程为值得注意的是, 在0—2.5 T的不同磁场下, 所有拟合方程中y都非常接近2.0. 因此, ΔF#和Δ
$ {\text{MR}}_{\text{\# }}^{+} $ 之间的拟合方程可以近似表示为$ {{\Delta {\mathrm{MR}}}}_{\text{\# }}^{+} = {K_0}{{\Delta }}F_\# ^2{H^2} $ (其中K0是常数)(图7(c)), 相关结果列在表3中. 因此, 对于MR+完全来自BST晶粒(000l)优先取向的xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜而言, 在不同H下xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的MR+可用图7(c)所示的拟合方程、表3列出的K0值和表1中列出的ΔF值(ΔF = FFe0x-FFe00, x = 1, 2, 3, 4)进行计算, 计算结果见表1. 可见, 随着Fe增加, xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的MR+先增大后减小; 2.5 T时, Fe02的最大MR+达到13.67%, 与Fe00相比增大了19%. 因此, 由BST(000l)择优取向引起的MR+明显增加, 应该是xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜载流子迁移率μ和电导率σ都明显增大的原因. Fe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的MR–可以用公式MR– = MRm-MR+计算. 50 K时, 不同磁场下的MRm, MR+和MR–值均列在表1中. 可见2.5 T时, Fe02的最大MR–为–6.90%.对于xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜而言, MR–主要来源于以下两个方面. 一是自旋相关(SD)散射, 在xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜中, 传导电子因与Fe局域磁矩的交换作用, 其两个自旋方向会受到强弱不同的散射, 自旋方向与局域磁矩取向相同时, 局域磁矩对电子自旋的散射作用最弱, 相反时其散射作用最强, 这种由局域磁矩交换作用的不同强度自旋相关散射可产生负磁阻
$ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{S}}{\mathrm{D}}}^{-} $ , 其大小可表示为[27]其中, K1和K2是常数. 二是弱局域效应(WL)散射, 在xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜中, 存在BST合金内由掺杂原子引起的晶格畸变、Fe纳米粒子的结构、有机-无机复合界面等本征结构缺陷和无序缺陷引起的弱局域钉扎效应, 当磁场作用于这些本征结构缺陷时, 会产生负磁电阻, 这种由本征结构缺陷无序诱发的弱局域效应散射可产生负磁阻
$ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{W}}{\mathrm{L}}}^{-} $ , 其大小可表示为[28]其中, K3是常数. 因此, 理论上, xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜总的MR–可以表示为
为了进一步确定xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜中
$ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{S}}{\mathrm{D}}}^{-} $ 和$ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{W}}{\mathrm{L}}}^{-} $ 对总MR–的贡献, 利用拟合(7)式和表1中列出的MR–值计算了xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的K1, K2, K3,$ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{S}}{\mathrm{D}}}^{-} $ 和$ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{W}}{\mathrm{L}}}^{-} $ , 结果见图7(e)和表4. 可见, 拟合结果与测量值具有很好的一致性, 表明xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的MR–是来自于$ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{S}}{\mathrm{D}}}^{-} $ 和$ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{W}}{\mathrm{L}}}^{-} $ ; Fe01, Fe02, Fe03和Fe04的SD散射常数K1为56.30, 36.77, 19.10和6.38, 相应的K2为0.12, 0.17, 0.20和0.22, 而WL散射的常数K3分别为0.52, 0.45, 0.23和0.17. 表4列出了xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的$ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{S}}{\mathrm{D}}}^{-} $ 和$ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{W}}{\mathrm{L}}}^{-} $ 的贡献值, 可见低磁场下xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的MR–主要源于弱局域钉扎效应产生的WL散射, 高磁场下xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的MR–主要源于Fe局域磁矩产生的SD散射. 随着Fe增加, xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的$ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{W}}{\mathrm{L}}}^{-} $ 的绝对值均逐渐减小,$ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{S}}{\mathrm{D}}}^{-} $ 的绝对值先增后降, 与MR–, Seebeck系数的演变规律一致, 表明热电磁薄膜内SD散射贡献的负磁阻可以增大热电磁薄膜的Seebeck系数. 此外, 随Fe-NPs的掺杂量增大, 负磁电阻贡献越小, 这主要归因于本实验掺杂的Fe-NPs的尺寸是纳米级别的(直径约为100 nm), 在掺杂过程中存在易团聚的现象(图2(a)), 这种团聚随掺杂量增大而明显增大, 然而Fe-NPs的团聚容易导致含Fe-NPs区域或局域磁矩的减小, 减弱局域效应, 使负磁阻减小. 同时, 在50 K和0—2.5 T的不同磁场下, Fe04的$ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{S}}{\mathrm{D}}}^{-} $ 的绝对值与其他样品相比明显下降, 这可能是源于高含量Fe-NPs的团聚更加严重. -
为揭开纵向热电效应和磁阻效应之间的神秘面纱并提高热电磁薄膜的电热输运性能, 本研究利用Fe纳米粒子(Fe-NPs)消耗BST晶粒表面吸附氧, 使部分Fe-NPs发生原位氧化反应生成FeO化合物, 这有效遏制了BST的氧化, 抑制了热电磁薄膜电热输运性能的降低; 同时为借助额外磁性散射提高热电磁薄膜的电热输运性能, 在BST/环氧树脂(EP)柔性热电薄膜中嵌入了由强铁磁性Fe-NPs和弱铁磁性FeO化合物组成的磁性功能基元(MFEs), 成功引入取向随机的局部磁矩, 最终本研究采用丝网印刷结合热压固化工艺制备了一系列p型xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜(x = 0, 0.1%, 0.2%, 0.3%和0.4%). 微观结构表征表明, 部分Fe纳米粒子与BST晶粒表面的吸附氧发生原位氧化反应生成Fe3O4, 阻止了Fe与BST发生反应; Fe作为第二相对BST基体晶体结构没有影响, xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜中BST晶粒(000l)择优取向因子随Fe增加而先增后降. 性能测试结果表明, 随着Fe增加, xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的空穴浓度降低, Seebeck系数先增后降; BST晶粒(000l)择优取向因子先增后降, 但均大于BST/环氧树脂热电薄膜的, 导致载流子散射减弱, 迁移率先升后降, 电导率先增后降, 因此功率因子先增后降, 但均大于BST/环氧树脂热电薄膜的.
进一步研究发现, 随着Fe增加, Fe诱导的织构各向异性使xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的磁各项异性能先增后降, 与载流子迁移率的演变规律一致; xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜中存在正、负磁阻共存的情况, 其正磁阻正比于BST晶粒(000l)择优取向因子的平方, 表明热电磁薄膜的电导率的增大是源于正磁阻的增大; 随着Fe增加, 源于Fe局域磁矩的自旋相关散射诱导的负磁阻的绝对值先升后降, 与Seebeck系数的演变规律一致, 表明热电磁薄膜的负磁阻可以增加热电磁薄膜的Seebeck系数. 因此, Fe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的功率因子明显高于不含Fe的BST/环氧树脂热电薄膜. 在300 K时, Fe02的功率因子高达2.87 mW/(K2·m), 与BST/环氧树脂热电薄膜相比, 提高了78%. 这些结果表明, 热电磁薄膜内正、负磁阻的共存不仅可以解耦热电材料中电导率与Seebeck系数之间的耦合关系, 还可以为磁纳米粒子诱导优异热电转换性能提供新的物理机制.
正负磁阻共存的Fe/Bi0.5Sb1.5Te3热电磁薄膜
xFe/Bi0.5Sb1.5Te3 thermoelectromagnetic films with coexistence of positive and negative magnetoresistance
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摘要: 具有优异电输运性能的热电薄膜是发展高效面内散热技术的关键材料, 但是过低的电输运性能是制约其应用的重要难题. 热电磁耦合新效应是近年来发展的一种优化综合热电性能的新方法. 为了探索热电磁耦合新效应对热电薄膜电输运性能的影响机制, 本研究发展了一种球磨分散-丝网印刷-热压固化一体化成型的方法, 成功制备了一系列Fe纳米粒子作为第二相的xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜, 并重点研究了其热电磁耦合作用及其对电热输运性能的影响规律. 研究发现, xFe/Bi0.5Sb1.5Te3 (BST)/环氧树脂热电磁薄膜中存在正、负磁阻共存的现象; BST(000l)择优取向因子与正磁阻(MR+)之间呈正比例关系并增加热电磁薄膜的电导率; 源于强铁磁性Fe纳米粒子局部磁矩的自旋相关散射的负磁阻(MR–)会增加Seebeck系数. 因此, 室温附近Fe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的功率因子高达2.87 mW/(K2·m), 与BST/环氧树脂热电薄膜相比, 提高了78%. 这些结果表明, 热电磁薄膜中正、负磁阻的共存不仅可解耦热电材料中电导率与Seebeck系数之间的耦合关系, 还可以为磁纳米粒子诱导优异热电转换性能提供新的物理机制.
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关键词:
- p型Bi2Te3基热电磁薄膜 /
- 磁各向异性 /
- 磁阻 /
- 自旋相关散射
Abstract: Thermoelectric (TE) films with excellent electrical transport property are key materials for developing efficient in-plane heat dissipation technology, but their low electrical transport property is a challenge that restricts their application. Recently, a new thermo-electro-magnetic coupling effect has been proposed to significantly improve the comprehensive TE performance. In order to explore the influence of the above effects on the electric transport property of TE films, we develop an integrated preparation method through ball milling dispersion, screen-printing and hot-pressing curing, obtaining a series of xFe/Bi0.5Sb1.5Te3 (BST)/epoxy TE films in which Fe nanoparticles serve as the second phase, resulting in the thermo-electro-magnetic coupling effect , and also we study their influence on the electrothermal transport performance. The results are shown below. The positive and negative magnetoresistance are co-existent in xFe/BST/epoxy thermoelectromagnetic films; the preferred orientation factor of BST (000l) is positively proportional to the positive magnetoresistance (MR+), resulting in an increase of the conductivity; the spin-dependent scattering of negative magnetoresistance (MR–) derived from the local magnetic moment of strong ferromagnetic Fe nanoparticles increases the Seebeck coefficient. Hence, the power factor of Fe/BST/epoxy thermoelectromagnetic film near room temperature reaches 2.87 mW⋅K–2⋅m–1, which is 78% higher than that of BST/epoxy thermoelectric film. These results indicate that the coexistence of positive and negative magnetoresistance in thermoelectromagnetic films can not only relieve the coupling relationship between conductivity and Seebeck coefficient in TE materials, but also provide a new physical mechanism for the excellent TE conversion performance induced by magnetic nanoparticles. -
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图 4 xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的磁各向异性 (a) 测量装置; (b) Fe00, (c) Fe01, (d) Fe02, (e) Fe03和(f) Fe04在300 K时⊥H和∥H的M-H曲线. 图(b)—(f)中右下插图是零场(H = 0)附近的M-H曲线, 所有xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的M-H曲线已经进行了扣除BST/环氧树脂热电薄膜背底的数据处理
Figure 4. Magnetic anisotropy of xFe/BST/epoxy thermoelectromagnetic films: (a) Measuring setup; M-H curves of (b) Fe00, (c) Fe01, (d) Fe02, (e) Fe03, and (f) Fe04⊥H (and ∥H) at 300 K. The lower-right insets in panels (b)–(f) show the M-H curves near zero field (H = 0), the M-H curves of xFe/BST/epoxy thermoelectromagnetic films were processed by BST/epoxy films background subtraction.
图 5 xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜磁阻特征 (a), (b) 1.0—2.5 T范围内, 50 K时Fe00和Fe02的MR随磁场H与面外方向夹角θ的变化曲线; (c), (d) 0—2.5 T范围内, 50—300 K时Fe00和Fe02的测量MR(MRm)随磁场的变化曲线; (e) 50 K时Fe00和xFe/BST/环氧薄膜热电磁薄膜(Fe0x, x = 1, 2, 3, 4)的MRm随磁场的变化曲线. MR-(
$ {\text{MR}}_{{\text{Fe0}}x}^{\text{m}} - {\text{MR}}_{{\text{Fe0}}x}^{+}$ )和两种MR–的拟合曲线分别显示在图(e)的下半部分, 并用虚线和颜色标注Figure 5. Magnetoresistance characteristic of xFe/BST/epoxy thermoelectromagnetic films: (a), (b) The MR dependence of the included angle θ between the magnetic field H and the out-plane direction of (a) Fe00 and (b) Fe02 in the range of 1.0–2.5 T at 50 K; (c), (d) the magnetic field dependences of measured MR (MRm) of (c) Fe00 and (d) Fe02 at 50–300 K in the range of 0–2.5 T; (e) the magnetic field dependences of MRm of Fe00 and xFe/BST/epoxy flexible films (Fe0x, x = 1, 2, 3, 4) at 50 K. The MR- (
$ {\text{MR}}_{{\text{Fe0}}x}^{\text{m}} - {\text{MR}}_{{\text{Fe0}}x}^{+} $ ) and fitting curves of two kinds of MR– are shown in the lower half of panel (e) with the color remarks and the dotted lines, respectively.图 6 无MR–的BST/环氧树脂热电薄膜的物相组成分析 (a) #0Fe00, #1Fe00, #2Fe00, #3Fe00和#4Fe00的XRD图案, 对应的压力为0, 4, 8, 12和16 MPa; (b) 在27.6°—28.5°范围内XRD谱放大图; (c) 取向因子F随烧结压力的变化曲线
Figure 6. Phase constituents and preferential orientation of BST/epoxy thermoelectricity films ignoring MR–: (a) XRD patterns of #0Fe00, #1Fe00, #2Fe00, #3Fe00, and #4Fe00 corresponding the pressure being 0, 4, 8, 12, and 16 MPa; (b) the enlarged XRD patterns in the 2θ range of 27.6°–28.5°; (c) the pressure dependence of the F of (000l) preferential orientation of BST.
图 7 BST/环氧树脂热电薄膜的
$ {\text{MR}}_{{\text{\# }}x}^{+} $ 随(000l)择优取向度的变化曲线 (a) 50 K时, 不同F的BST/环氧树脂热电薄膜的测量$ {\text{MR}}_{{\text{\# }}x}^ + $ 随磁场的变化曲线; (b) 50 K时, 不同F的BST/环氧树脂热电薄膜的Δ$ {\text{MR}}_{{\text{\# }}x}^ + $ 随ΔF#x的变化曲线, 在H = 0.5—2.5 T下, 拟合方程为$ {{\Delta {\mathrm{MR}}}}_{\text{\# }}^{+} = {K_0}{{\Delta }}F_\# ^y{H^2} $ , 其中(K0, y)分别是0.5 T为(30.67, 2.075), 1.0 T为(24.92, 2.049), 1.5 T为(19.79, 2.006), 2.0 T为(16.54, 1.983)和2.5 T为(13.79, 1.937); (c)拟合方程为$ {{\Delta {\mathrm{MR}}}}_{\text{\# }}^{+} = {K_0}{{\Delta }}F_\# ^2{H^2} $ , 其中K0是常数Figure 7. The
$ {\text{MR}}_{{\text{\# }}x}^{+} $ dependences of the (000l) preferential orientation F#x of BST in BST/epoxy thermoelectricity films: (a) The variation of$ {\text{MR}}_{{\text{\# }}x}^ + $ with the magnetic field at 50 K in the range of 0–2.5 T; (b) the fitting correlation between ΔF# and$ {{\Delta {\mathrm{MR}}}}_{\text{\# }}^{+} $ at H = 0.25–2.5 T, which is expressed as$ {{\Delta {\mathrm{MR}}}}_{\text{\# }}^{+} = {K_0}{{\Delta }}F_\# ^y{H^2} $ , where (K0, y) is (34.29, 2.129) for 0.5 T, (24.46, 2.021) for 1.0 T, (14.27, 1.902) for 1.5 T, (19.480, 2.063) for 2.0 T, and (16.12, 2.013) for 2.50 T; (c)$ {{\Delta {\mathrm{MR}}}}_{\text{\# }}^{+} = {K_0}{{\Delta }}F_\# ^2{H^2} $ , where K0 is constant.表 1 xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的F, ΔF, MRm, MR–和MR+值
Table 1. Values of F, ΔF, MRm, MR–, and MR+ of xFe/BST/epoxy thermoelectromagnetic films.
No. F ΔF 0.5 T 1.0 T 1.5 T 2.0 T 2.5 T MRm MR+ MR– MRm MR+ MR– MRm MR+ MR– MRm MR+ MR– MRm MR+ MR– Fe00 0.26 0.00 0.85 0.85 0.00 2.36 2.36 0.00 4.87 4.87 0.00 7.70 7.70 0.00 11.51 11.51 0.00 Fe01 0.31 0.05 0.30 0.86 –0.57 1.07 2.42 –1.34 2.29 4.98 –2.69 3.86 7.87 –4.01 5.70 11.75 –6.05 Fe02 0.41 0.15 0.44 1.00 –0.56 1.41 2.87 –1.50 2.84 5.86 –3.02 4.66 9.24 –4.57 6.78 13.67 –6.90 Fe03 0.38 0.12 0.73 0.94 –0.21 1.96 2.69 –0.73 3.61 5.50 –1.90 5.63 8.68 –3.06 7.93 12.89 –4.96 Fe04 0.36 0.10 0.80 0.92 –0.11 2.08 2.59 –0.51 4.30 5.31 –1.01 7.19 8.38 –1.19 10.47 12.47 –2.00 表 2 不同样品300 K时⊥H方向的实测磁性能参数
Table 2. Magnetic properties of the ⊥H of the different samples at 300 K.
Samples x Ms/(emu·g–1) Hk/Oe Keff/(105 erg·g–1) ΔE/(104 erg·g–1) Hc/Oe Mr/(emu·g–1) Fe01 0.1% 107.76 9703.48 5.23 5.94 123.65 5.42 Fe02 0.2% 122.17 14456.38 8.83 8.98 93.37 4.84 Fe03 0.3% 95.80 10700.42 5.13 7.31 78.80 1.09 Fe04 0.4% 95.12 10144.43 4.82 6.23 117.48 4.14 表 3 BST/环氧树脂热电薄膜的F#, ΔF#,
$ {{\Delta {\mathrm{MR}}}}_{\text{\# }}^{+} $ 和K0的值Table 3. Values of F#, ΔF#,
$ {{\Delta {\mathrm{MR}}}}_{\text{\# }}^{+} $ , and K0 of BST/epoxy thermoelectricity films.Sample F# ΔF# 0.5 T 1.0 T 1.5 T 2.0 T 2.5 T $ {{\Delta {\mathrm{MR}}}}_{\text{\# }}^{+} $ K0 $ {{\Delta {\mathrm{MR}}}}_{\text{\# }}^{+} $ K0 $ {{\Delta {\mathrm{MR}}}}_{\text{\# }}^{+} $ K0 $ {{\Delta {\mathrm{MR}}}}_{\text{\# }}^{+} $ K0 $ {{\Delta {\mathrm{MR}}}}_{\text{\# }}^{+} $ K0 #0Fe00 0.26 0.00 0.00 26.99 0.00 22.91 0.00 19.59 0.00 17.04 0.00 15.35 #1Fe00 0.34 0.08 0.04 26.99 0.11 22.91 0.31 19.59 0.44 17.04 0.63 15.35 #2Fe00 0.37 0.11 0.07 26.99 0.28 22.91 0.49 19.59 0.88 17.04 1.21 15.35 #3Fe00 0.42 0.16 0.18 26.99 0.60 22.91 1.15 19.59 1.69 17.04 2.48 15.35 #4Fe00 0.46 0.20 0.28 26.99 0.95 22.91 1.83 19.59 2.85 17.04 3.96 15.35 表 4 xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜在不同H中的K1, K2, K3,
$ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{S}}{\mathrm{D}}}^{-} $ 和$ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{W}}{\mathrm{L}}}^{-} $ 值Table 4. Values of K1, K2, K3,
$ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{S}}{\mathrm{D}}}^{-} $ , and$ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{W}}{\mathrm{L}}}^{-} $ of xFe/BST/epoxy thermoelectromagnetic films in different HNo. K1 K2 K3 0.5 T 1.0 T 1.5 T 2.0 T 2.5 T $ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{S}}{\mathrm{D}}}^{-} $ $ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{W}}{\mathrm{L}}}^{-} $ $ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{S}}{\mathrm{D}}}^{-} $ $ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{W}}{\mathrm{L}}}^{-} $ $ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{S}}{\mathrm{D}}}^{-} $ $ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{W}}{\mathrm{L}}}^{-} $ $ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{S}}{\mathrm{D}}}^{-} $ $ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{W}}{\mathrm{L}}}^{-} $ $ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{S}}{\mathrm{D}}}^{-} $ $ {{\mathrm{M}}{\mathrm{R}}}_{{\mathrm{W}}{\mathrm{L}}}^{-} $ Fe00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Fe01 56.30 0.12 0.52 –0.20 –0.37 –0.82 –0.52 –2.06 –0.64 –3.27 –0.74 –5.23 –0.82 Fe02 36.77 0.17 0.45 –0.24 –0.32 –1.02 –0.47 –2.47 –0.55 –3.94 –0.64 –6.18 –0.71 Fe03 19.10 0.20 0.23 –0.05 –0.16 –0.50 –0.23 –1.61 –0.28 –2.73 –0.33 –4.60 –0.36 Fe04 6.38 0.22 0.17 –0.00 –0.12 –0.34 –0.17 –0.81 –0.21 –0.95 –0.24 –1.73 –0.27 -
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