中文摘要：

金属硅化物半导体以其低成本、无毒无污染、易回收、高稳定性诸多优点被称为环境友好型半导体，其基础物性和热电特性受到广泛关注。由于多相生长和自身晶体结构的复杂性，MnSi1.7薄膜的生长尺度范围还很有限，对其带隙值和带隙类型的认识存在很大分歧，其热电性能的研究也局限于有限的结构尺度范围。本课题采用MnX2（X=Cl、Br、I）作为Mn源，通过等温生长和非等温生长两种方式，达到对反应前沿Mn、Si成分的控制，在Si衬底上实现MnSi1.7薄膜从十几纳米到几十微米的多尺度、单相、连续生长。通过研究不同结构尺度特征下，薄膜的基础电性能和热电性能，建立起MnSi1.7带隙值、带隙类型与结构特征的关系；利用不同结构特征，增强声子散射，协调电子/空穴-声子的输运；在多尺度结构特征条件下，优化和提升薄膜的热电性能（ZT），促进MnSi1.7在热电器件等相关领域的应用。

结论摘要：

以MnSi1.7薄膜生长中的多相反应为出发点，抑制MnSi的生长，获得单项大尺度的MnSi1.7薄膜，为薄膜热电应用打下基础。以MnCl2为锰源，在其蒸汽中加热硅基板，实现硅化物的外延生长。在500℃，初生相MnSi1.7以一定的低错配晶面沿硅基板生长，并逐步形成连续的薄膜，厚度在25nm以下。继续延长加热的时间，MnSi相开始形成并逐步占主导地位，迅速生长到50-100nm，同时MnSi1.7相的生长受到抑制。提高加热温度到600℃，初生相为MnSi，而且成为单相薄膜，厚度可以生长到微米以上的范围。多相反应的机制是动力学因素造成的。初生相Mn1.7生长成连续薄膜时候，反应前沿硅的扩散被抑制，形成了富Mn的反应前沿，MnSi的生长受到促进。而600℃高温下单相MnSi的生成是Mn/Si竞争性扩散的结果。多相反应机理的探讨为获得单相生长提供动力学控制方法。1）尺寸效应。由于初始HMS相局限于50nm以下的尺度范围。采用纳米50纳米硅粉作为初始的反应物，当MnSi开始出现，反应已经完全。获得了MnSi1.7相的单相粉末和烧结块体。并测试了其热电性能。2）利用竞争性扩散。在900℃以上的温度区间，获得微米厚度的MnSi1.7相薄膜，对于Mn、Si的竞争性扩散，随着温度的增加（500-1000℃）会出现出现交替占主导的趋势。同时发现，反应在接触模式下，会发生逆反应并造成表面粗化。3）采用非接触等温加热的方法，提高薄膜的质量。将Mn源和基板分别加热和控制温度，获得单相、致密、平整的MnSi1.7相薄膜。4）引入SiO2 capping layer。在硅基板表面有意引入一层氧化硅的过渡层，对于单相MnSi1.7相的形成有促进作用。过渡层作用就是抑制Si的向外扩散，抑制了MnSi的形成。硅衬底表面形成了HMS层，获得了亚微米厚度的单相薄膜。由于扩散被抑制，生长速率较慢。通过以上机制，实现了MnSi1.7相薄膜生长厚度从小于30nm生长到10微米的范围。对应的禁带宽度为直接带隙0.7eV。还对其他的金属硅化物进行了研究1）高光吸收系数的Mg2Si，提出了用PIN结构的硅化物太阳能电池，申请了国家发明专利。2）通过与日本Shizuoka University合作，将这种方法应用到CrSi2纳米结构的生长中。3）对强玻璃化转变能力的Zr-Si薄膜进行了研究，有望应用于核电防护领域。