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为探究重原子钨（W）掺入氮化钪（ScN）对其电子结构和热电性能的影响，研究人员合成 Sc1-xWxNy薄膜开展研究。结果显示，W 掺入导致相分离、N 含量变化等，影响热电性能。该研究为相关材料研究提供重要参考。
在材料科学的广阔领域中，热电材料一直备受关注。氮化钪（ScN）作为一种具有潜力的热电材料，其独特的性质吸引了众多科研人员的目光。然而，ScN 的晶格热导率较高，限制了其在热电领域的进一步应用。为了改善这一状况，研究人员尝试通过合金化的方法来优化 ScN 的性能。在众多合金化元素中，钨（W）因其特殊的电子结构，被认为有可能降低 ScN 的晶格热导率，同时影响其电子结构和热电性能。但此前对于 W 掺入 ScN 后的各种性质变化并不十分清楚，这就促使了此次研究的开展。
来自国外多个研究机构的研究人员针对这一问题展开了深入研究。他们通过合成 Sc1-xWxNy薄膜，系统地研究了 W 浓度对 ScN 结构、电子性质和热电性能的影响。研究发现，W 掺入 ScN 后，会导致薄膜出现相分离现象，且氮含量减少。这些变化对热电性能产生了显著影响，使得 Seebeck 系数呈现金属 - like 特性，同时电阻率增加，热电功率因子降低。这一研究成果为进一步理解 ScN 基合金的性质提供了重要依据，也为热电材料的优化设计指明了方向，论文发表在《Applied Materials Today》。
研究人员在研究过程中，主要运用了以下关键技术方法：采用直流反应磁控溅射（DC reactive magnetron sputtering）技术制备 Sc1-xWxNy薄膜和 ScN 参考薄膜；运用卢瑟福背散射光谱（Rutherford backscattering spectroscopy，RBS）和飞行时间弹性反冲探测分析（time-of-flight Elastic Recoil Detection Analysis，ToF-ERDA）进行成分分析；通过 X 射线衍射（X-ray diffraction，XRD）和透射电子显微镜（transmission electron microscopy，TEM）对薄膜结构进行表征；利用多种光谱技术，如价带 X 射线光电子能谱（valence band X-ray photoelectron spectroscopy，VB-XPS）、芯能级 X 射线光电子能谱（core level X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）等分析电子结构；采用标准四探针法结合霍尔效应测量样品的电学性能，如载流子浓度、迁移率等。
研究结果
- 成分分析：通过 RBS 和 ToF-ERDA 分析，发现 ScN 参考样品存在 N 亚化学计量比，且含有少量杂质。Sc1-xWxNy样品中，W 含量增加时，Sc 含量减少，N 含量也相应降低，同时 O 含量减少，C 含量增加。
- 结构分析：XRD 分析表明，随着 W 含量增加，薄膜的晶格参数发生变化，在 x = 0.10 时开始出现相分离。TEM 图像显示，Sc0.35W0.23N0.37样品具有柱状微观结构，且 W 和 Sc 原子分布不均匀。
- 电子结构：通过多种光谱技术分析发现，W 掺入导致 Sc1-xWxNy样品的电子结构发生变化，如 XANES 光谱中特征峰的变化，VB-XPS 光谱中态密度（DOS）在费米能级附近的增加等。
- 热电性能：研究测量了样品的电阻率、Seebeck 系数等热电性能参数。结果显示，随着 W 含量增加，电阻率先增加后降低，Seebeck 系数则呈现金属 - like 特性，且数值较低，导致热电功率因子降低。
研究结论与讨论
W 掺入 ScN 虽然导致了金属 - like 的 Seebeck 系数，但同时增加了电阻率，降低了热电功率因子，表明当前研究的 W 浓度范围不适合用于热电应用。相分离和氮空位的形成是影响热电性能的重要因素。研究还发现，Sc1-xWxNy系统的共价键和离子键比参考 ScN 弱，存在更多金属键。未来可以通过控制氮空位、调整 N2流量或采用离子注入等方法，有望改善该系统的热电性能。此次研究为 ScN 基合金的进一步研究提供了重要的理论基础和实验依据，对热电材料的发展具有重要意义。
