中文摘要：

本项目结合国家在清洁能源方面的重大需求，就目前迫切需要解决的如何大幅度提高纳米尺寸半导体热电功率因子的关键科技问题开展研究工作。本工作以纳米尺寸半导体MnSi1.7 为研究对象，利用电子束蒸发镀膜机或磁控溅射镀膜机, 制备厚度在14 - 40 纳米左右的MnSi1.7、FeSi2、 Si三种半导体薄膜，其中MnSi1.7 用来做量子阱层，FeSi2 和Si 用来做势垒层。首先制备出具有奇异热电效应的纳米尺寸半导薄膜，然后再将它们形成势垒层 - 量子阱层 - 势垒层这样一个三层薄膜结构。 把调制掺杂技术（只掺杂势垒层）、 室温下N型纳米尺寸FeSi2 的声子拽引效应、 N型纳米尺寸MnSi1.7 的量子尺寸效应集成于该三层薄膜结构，在其共同作用下，大幅度提高纳米尺寸MnSi1.7 的热电功率因子。

结论摘要：

利用废弃的热量，通过热电材料的温差发电原理发电，是国家急需发展的清洁能源之一。近十几年来，人们发现纳米热电材料的热导率很低，可以提高材料的热电性能。最近几年，人们认识到，要想进一步提高材料的热电性能，就必须大幅度提高纳米热电材料的热电功率因子（PF = SxS/R），即材料既要有很大的塞贝克系数 (S)，又要有很低的电阻率 (R)。对于传统的半导体热电材料，我们要实现它从理论上来说是很困难的。本工作在国家自然科学基金的支持下，以纳米尺寸的高锰-硅化合物（HMS，MnSi1.73）为研究对象，成功制备出P型 (Si / MnSi1.73 / Si) 纳米尺寸的三层薄膜材料。通过采用调制掺杂技术，即只把杂质（B， Al， Cu）掺入硅中，特别是掺入深能级杂质（Cu），可使材料的塞贝克系数增大，而电阻率减小，从而达到大幅度提高热电功率因子的目的。在 733 K 温度下，热电功率因子达到 3.140 x 10-3 W/m.K2, 超过了我们在申请基金时设定的目标2.40 x 10-3 W/m.K2（日本科学家2000年报道的结果）。采用 MnSi2 和Si:B (1 at.%)共溅射的方法, 制备出 (MnSi1.73 + Si) 纳米复合薄膜材料，材料的电阻率下降，而塞贝克系数在高温时基本保持不变或略有增大。发展了一种分层镀 MnSi1.73 的方法，可以实现在提高材料的塞贝克系数的同时降低材料的电阻率。这些方法对提高其它热电材料的热电性能有一定的参考价值。在提高N型 MnSi1.73 材料的热电功率因子方面，由于我们没有制备出N型 Si 材料而受挫。加入少量N型 Fe0.95Co0.05Si2, 虽然可以降低材料的电阻率，在高温（583 K 以上）时能增大塞贝克系数，但热电功率因子提高的幅度有限，没有完成预定目标: 39 x 10-3 W/m.K2 (本课题组2008年报道的结果)。