利用高真空磁控溅射技术, 通过高纯Mg靶和自制Mg-Bi-Sn合金靶的顺序溅射沉积, 制备了Mg3Bi2/Mg2Sn纳米复合薄膜。沉积薄膜的晶体结构和相组成由X射线衍射(XRD)图谱确定, 表面形貌和化学成分用场发射扫描电子显微镜(FESEM)和能谱仪(EDS)进行观察、测量和分析。沉积薄膜的载流子浓度和迁移率通过霍尔实验获得, 电导率和Seebeck系数由Seebeck/电阻测试分析系统进行测量。结果表明, 沉积薄膜由Mg3Bi2和Mg2Sn两相组成, 随着薄膜中Mg2Sn含量的增加, 沉积薄膜的室温载流子浓度增加而迁移率下降。在整个测试温度范围内, 随薄膜中Mg2Sn含量的增加, 薄膜Seebeck系数不断升高而电导率下降。Mg2Sn相原子含量为28.22%的沉积薄膜在155 ℃获得最高功率因子为1.2 mW·m-1·K-2。在Mg3Bi2薄膜中加入适量的Mg2Sn第二相, 可明显提升Mg3Bi2薄膜材料的功率因子。

窄带隙半导体材料Mg2Sn具有丰度大、密度低、无毒及环境友好等特点，是中低温热电材料的优秀候选者。本文基于密度泛函理论，结合不同形式的电子交换关联能系统分析了Mg2Sn晶体的弹性系数、声子振动谱和电子能带结构，并基于非平衡玻尔兹曼输运理论计算了Mg2Sn的热电性能。结果表明，GGA-PBE作为电子交换关联能可以很好地拟合立方相Mg2Sn的力学性能(声子振动谱无虚频率)，其体弹性模量为42.1 GPa且各向同性。同时，当工作温度高于300 K，Mg2Sn的德拜温度开始趋于平缓且不高于315 K，表明Mg2Sn在该温度区域内具有低声子热导率。使用B3LYP作为电子交换关联能可以估算Mg2Sn费米能级附近的电子结构，发现价带顶附近存在三重简并态。同时计算结果表明，Mg2Sn p型掺杂下的热电优值(ZT值)优于n型掺杂，可达1.05。本研究结果为进一步优化Mg2Sn热电性能的研究提供借鉴。