本發明提供一種高溫熱電Sr3Co4O9薄膜電阻率的調控方法，屬于功能薄膜材料領域。
背景技術：
錯層狀結構Sr3Co4O9由傳導的CoO2層和絕緣的Sr2CoO3層沿c軸方向交替堆砌并沿b軸失配，其中CoO2層中低自旋的Co4+( )提供空穴載流子，將熱、電輸運強烈局域于a b 面內，Sr2CoO3層作為聲子散射中心有效降低材料熱導率，既是一種同時具備高電導率和低熱導率的“電子晶體-聲子玻璃”材料，又具有顯著的結構和輸運各向異性，在中高、溫熱電轉換領域有巨大應用潛力。
作為熱電材料，其轉換效率主要由無量綱的熱電優值Z T 衡量，ZT=S2T(ρκ)-1，其中S ~賽貝克系數，ρ ~電阻率，κ =κe+κL~熱導率=電子熱導率+晶格熱導率，T ~絕對溫度。由于電阻率ρ 、熱電勢S 和電子熱導率κe間相互競爭、耦合的關系，所以實現電阻率大小的連續調控，以使材料ZT值達到最優，對其實際應用有重要意義。
目前對于材料的輸運各向異性，如電阻率各向異性ρc/ρab及熱電勢各向異性ΔS=Sab-Sc，主要在單晶材料中直接測量獲得，但單晶制備過程復雜、成本昂貴；通過更簡便的方法獲得材料的輸運各向異性，對深入挖掘材料結構-性能的關聯有重要研究意義。
技術實現要素：
為了克服現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種高溫熱電Sr3Co4O9薄膜電阻率的調控方法：通過脈沖激光沉積在c軸傾斜的單晶襯底上生長Sr3Co4O9外延薄膜，在靜態氧氣氛中原位退火后冷卻到室溫得到Sr3Co4O9薄膜；通過調控單晶襯底的c軸傾斜角度即可得到不同電阻率的Sr3Co4O9薄膜，所述c軸傾斜單晶襯底的傾斜角度為0≤α≤90°。
本發明所述c軸傾斜單晶襯底為SrTiO3、LaAlO3或(LaxSr1-x)(AlyTa1-y)O3。
本發明所述脈沖激光沉積技術的激光光源為KrF準分子激光，激光波長248nm，激光脈寬28ns，激光能量175-350mJ，激光頻率2-5Hz，背底真空1×10-3Pa-1×10-4Pa，生長溫度730-810℃，生長流動氧壓5-50Pa。
本發明所述靜態氧氣氛中原位退火的條件為：退火溫度750-850℃，退火氧壓1×104-5×104Pa，退火時間10-30min。
本發明所述不同角度的c軸傾斜單晶襯底可以通過常規(001)取向的單晶沿(001)偏轉0<α≤90°切割得到，其為本領域的常規技術。
本發明的原理為：通過單晶襯底的c軸傾斜角度調控外延薄膜的生長取向，獲得沿材料不同取向上的電輸運性質，進而實現電阻率大小的連續調控。
本發明的有益效果：可實現外延薄膜電阻率在ρab~ρc之間的連續調控；可反應層狀鈷基氧化物材料的電阻率各向異性。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明作進一步詳細說明，但本發明的保護范圍并不限于所述內容。
本發明所述c軸傾斜單晶襯底為層狀Co基氧化物薄膜生長的常用襯底，襯底要有與薄膜材料相近的晶體結構、晶格常數和熱膨脹系數。同為立方鈣鈦礦結構的SrTiO3、LaAlO3和(LaxSr1-x)(AlyTa1-y)O3襯底，其與薄膜Sr2CoO3亞層的晶體結構、晶格常數和熱膨脹系數相近，均可實現Sr3Co4O9薄膜的外延生長，本發明實施例中以SrTiO3襯底為例進行說明。
實施例1
c軸傾斜單晶襯底的預處理：將0°傾斜的SrTiO3 (100)單晶襯底在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，之后在室溫下依次用丙酮、酒精和去離子水在超聲波清洗器中各處理2min，再在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，以獲得具有單一TiO2終結層、原子級光滑表面的單晶襯底。
外延薄膜生長：采用脈沖激光沉積技術以波長248nm、激脈寬28ns的KrF準分子激光為光源，以激光能量175mJ，激光頻率3Hz，背底真空1×10-3Pa，襯底溫度780℃，流動氧壓30Pa為生長工藝，經預處理后的SrTiO3 (001)單晶襯底上生長Sr3Co4O9薄膜，之后在780℃和1×104Pa靜態氧壓下原位退火20min。
薄膜沿傾斜方向的室溫電阻率見表1。
實施例2
c軸傾斜單晶襯底的預處理：將5°傾斜的SrTiO3 (100)單晶襯底在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，之后在室溫下依次用丙酮、酒精和去離子水在超聲波清洗器中各處理2min，再在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，以獲得具有單一TiO2終結層、原子級光滑臺階的單晶襯底。
外延薄膜生長：采用脈沖激光沉積技術以波長248nm、激脈寬28ns的KrF準分子激光為光源，以激光能量175mJ，激光頻率3Hz，背底真空1×10-3Pa，襯底溫度780℃，流動氧壓30Pa為生長工藝，經預處理后的SrTiO3 (001)單晶襯底上生長Sr3Co4O9薄膜，之后在780℃和1×104Pa靜態氧壓下原位退火20min。
薄膜沿傾斜方向的室溫電阻率及各向異性見表1。
實施例3
c軸傾斜單晶襯底的預處理：將10°傾斜的SrTiO3 (100)單晶襯底在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，之后在室溫下依次用丙酮、酒精和去離子水在超聲波清洗器中各處理2min，再在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，以獲得具有單一TiO2終結層、原子級光滑臺階的單晶襯底。
外延薄膜生長：采用脈沖激光沉積技術以波長248nm、激脈寬28ns的KrF準分子激光為光源，以激光能量175mJ，激光頻率3Hz，背底真空1×10-3Pa，襯底溫度780℃，流動氧壓30Pa為生長工藝，經預處理后的SrTiO3 (001)單晶襯底上生長Sr3Co4O9薄膜，之后在780℃和1×104Pa靜態氧壓下原位退火20min。
薄膜沿傾斜方向的室溫電阻率及各向異性見表1。
實施例4
c軸傾斜單晶襯底的預處理：將20°傾斜的SrTiO3 (100)單晶襯底在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，之后在室溫下依次用丙酮、酒精和去離子水在超聲波清洗器中各處理2min，再在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，以獲得具有單一TiO2終結層、原子級光滑臺階的單晶襯底。
外延薄膜生長：采用脈沖激光沉積技術以波長248nm、激脈寬28ns的KrF準分子激光為光源，以激光能量175mJ，激光頻率3Hz，背底真空1×10-3Pa，襯底溫度780℃，流動氧壓30Pa為生長工藝，經預處理后的SrTiO3 (001)單晶襯底上生長Sr3Co4O9薄膜，之后在780℃和1×104Pa靜態氧壓下原位退火20min。
薄膜沿傾斜方向的室溫電阻率及各向異性見表1。
實施例5
c軸傾斜單晶襯底的預處理：將30°傾斜的SrTiO3 (100)單晶襯底在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，之后在室溫下依次用丙酮、酒精和去離子水在超聲波清洗器中各處理2min，再在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，以獲得具有單一TiO2終結層、原子級光滑臺階的單晶襯底。
外延薄膜生長：采用脈沖激光沉積技術以波長248nm、激脈寬28ns的KrF準分子激光為光源，以激光能量175mJ，激光頻率3Hz，背底真空1×10-3Pa，襯底溫度780℃，流動氧壓30Pa為生長工藝，經預處理后的SrTiO3 (001)單晶襯底上生長Sr3Co4O9薄膜，之后在780℃和1×104Pa靜態氧壓下原位退火20min。
薄膜沿傾斜方向的室溫電阻率及各向異性見表1。
實施例6
c軸傾斜單晶襯底的預處理：將40°傾斜的SrTiO3 (100)單晶襯底在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，之后在室溫下依次用丙酮、酒精和去離子水在超聲波清洗器中各處理2min，再在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，以獲得具有單一TiO2終結層、原子級光滑臺階的單晶襯底。
外延薄膜生長：采用脈沖激光沉積技術以波長248nm、激脈寬28ns的KrF準分子激光為光源，以激光能量175mJ，激光頻率3Hz，背底真空1×10-3Pa，襯底溫度780℃，流動氧壓30Pa為生長工藝，經預處理后的SrTiO3 (001)單晶襯底上生長Sr3Co4O9薄膜，之后在780℃和1×104Pa靜態氧壓下原位退火20min。
薄膜沿傾斜方向的室溫電阻率及各向異性見表1。
實施例7
c軸傾斜單晶襯底的預處理：將50°傾斜的SrTiO3 (100)單晶襯底在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，之后在室溫下依次用丙酮、酒精和去離子水在超聲波清洗器中各處理2min，再在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，以獲得具有單一TiO2終結層、原子級光滑臺階的單晶襯底。
外延薄膜生長：采用脈沖激光沉積技術以波長248nm、激脈寬28ns的KrF準分子激光為光源，以激光能量175mJ，激光頻率3Hz，背底真空1×10-3Pa，襯底溫度780℃，流動氧壓30Pa為生長工藝，經預處理后的SrTiO3 (001)單晶襯底上生長Sr3Co4O9薄膜，之后在780℃和1×104Pa靜態氧壓下原位退火20min。
薄膜沿傾斜方向的室溫電阻率及各向異性見表1。
實施例8
c軸傾斜單晶襯底的預處理：將60°傾斜的SrTiO3 (100)單晶襯底在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，之后在室溫下依次用丙酮、酒精和去離子水在超聲波清洗器中各處理2min，再在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，以獲得具有單一TiO2終結層、原子級光滑臺階的單晶襯底。
外延薄膜生長：采用脈沖激光沉積技術以波長248nm、激脈寬28ns的KrF準分子激光為光源，以激光能量175mJ，激光頻率3Hz，背底真空1×10-3Pa，襯底溫度780℃，流動氧壓30Pa為生長工藝，經預處理后的SrTiO3 (001)單晶襯底上生長Sr3Co4O9薄膜，之后在780℃和1×104Pa靜態氧壓下原位退火20min。
薄膜沿傾斜方向的室溫電阻率及各向異性見表1。
實施例9
c軸傾斜單晶襯底的預處理：將70°傾斜的SrTiO3 (100)單晶襯底在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，之后在室溫下依次用丙酮、酒精和去離子水在超聲波清洗器中各處理2min，再在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，以獲得具有單一TiO2終結層、原子級光滑臺階的單晶襯底。
外延薄膜生長：采用脈沖激光沉積技術以波長248nm、激脈寬28ns的KrF準分子激光為光源，以激光能量175mJ，激光頻率3Hz，背底真空1×10-3Pa，襯底溫度780℃，流動氧壓30Pa為生長工藝，經預處理后的SrTiO3 (001)單晶襯底上生長Sr3Co4O9薄膜，之后在780℃和1×104Pa靜態氧壓下原位退火20min。
薄膜沿傾斜方向的室溫電阻率及各向異性見表1。
實施例10
c軸傾斜單晶襯底的預處理：將80°傾斜的SrTiO3 (100)單晶襯底在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，之后在室溫下依次用丙酮、酒精和去離子水在超聲波清洗器中各處理2min，再在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，以獲得具有單一TiO2終結層、原子級光滑臺階的單晶襯底。
外延薄膜生長：采用脈沖激光沉積技術以波長248nm、激脈寬28ns的KrF準分子激光為光源，以激光能量175mJ，激光頻率3Hz，背底真空1×10-3Pa，襯底溫度780℃，流動氧壓30Pa為生長工藝，經預處理后的SrTiO3 (001)單晶襯底上生長Sr3Co4O9薄膜，之后在780℃和1×104Pa靜態氧壓下原位退火20min。
薄膜沿傾斜方向的室溫電阻率及各向異性見表1。
實施例11
c軸傾斜單晶襯底的預處理：將90°傾斜的SrTiO3 (100)單晶襯底在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，之后在室溫下依次用丙酮、酒精和去離子水在超聲波清洗器中各處理2min，再在空氣氣氛中1000℃下一次退火1h，以獲得具有單一TiO2終結層、原子級光滑臺階的單晶襯底。
外延薄膜生長：采用脈沖激光沉積技術以波長248nm、激脈寬28ns的KrF準分子激光為光源，以激光能量175mJ，激光頻率3Hz，背底真空1×10-3Pa，襯底溫度780℃，流動氧壓30Pa為生長工藝，經預處理后的SrTiO3 (001)單晶襯底上生長Sr3Co4O9薄膜，之后在780℃和1×104Pa靜態氧壓下原位退火20min。
表1為襯底的c軸傾角度及對應外延薄膜的室溫電阻率和各向異性