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方法文章

使用射频磁控溅射法制备 Bi2Te3 和 Sb2Te3 热电薄膜

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DOI:

10.3791/66248

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2024年5月17日

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本文内容

摘要

该论文描述了一种在玻璃基底上通过射频磁控溅射法沉积Bi2Te3和Sb2Te3热电薄膜的实验方案,该方法是一种可靠的沉积技术,具有广泛的应用前景,并具备进一步发展的潜力。

摘要

通过对热电(TE)材料的多项研究发现,与传统的块体热电材料相比,薄膜构型具有显著优势,包括能够适应弯曲和柔性基底。尽管已探索了多种不同的薄膜沉积方法,但磁控溅射因其高沉积效率和可扩展性仍备受青睐。因此,本研究旨在通过射频(RF)磁控溅射法来制备碲化铋(Bi2Te3)和碲化锑(Sb2Te3)薄膜。薄膜在室温下沉积于钠钙玻璃基底上。基底首先用清水和洗涤剂清洗,随后分别在甲醇、丙酮、乙醇和去离子水中进行10分钟的超声清洗,再用氮气和加热板干燥,最后在镀膜前进行10分钟的紫外臭氧处理以去除残留物。采用Bi2Te3和Sb2Te3溅射靶材并在氩气氛围中进行溅射,先进行预溅射以清洁靶材表面。然后将数个洁净的基底装入溅射腔室,并将腔室抽真空至压力达到2 × 10-5 Torr。在氩气流量为4 sccm、RF功率分别为75 W(Bi2Te3)和30 W(Sb2Te3)的条件下,沉积时间为60分钟。该方法成功制备出高度均匀的n型Bi2Te3和p型Sb2Te3薄膜。

引言

热电(TE)材料因其能够通过塞贝克效应将热能转化为电能1,以及通过珀尔帖效应实现制冷2,而受到广泛关注。热电材料的转换效率取决于热电臂热端与冷端之间的温差。通常情况下,温差越大,热电优值越高,其效率也越高3。热电转换过程无需额外的机械部件,也不涉及气体或液体,不产生废弃物或污染,因此对环境无害,被视为一种绿色能源收集系统。

碲铋(Bi2Te3)及其合金仍是最重要的热电材料类别。即使在热电发电应用中,例如废热回收,Bi2Te3 合金也因其在高达 200 °C 下的优异效率而被最广泛使用4,并且尽管多种热电材料的 zT 值已超过 2,它在室温下仍是一种优异的热电材料5。已有若干研究论文探讨了该材料的热电性能,结果表明化学计量比的 Bi2Te3 具有负的塞贝克系数6,7,8,表明其具有 n....

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方案

1. 底物制备

  1. 使用无尘布擦拭玻璃基底,以去除松散的污垢或碎屑。用清水和肥皂清洗玻璃基底,并用刷子刷洗玻璃表面的污物。
  2. 将下列所列溶剂分别倒入烧杯中,将玻璃基底浸入溶剂中,并在37 kHz条件下进行超声处理。甲醇于80 °C处理10分钟;丙酮于80 °C处理10分钟;乙醇于80 °C处理10分钟;去离子水(DI水)于80 °C处理20分钟。
    注意:在通风橱中操作高挥发性化学品。
  3. 使用镊子逐个从烧杯中取出基底,放置于洁净的平面上,用镊子固定基底,并用氮气吹干。
  4. 将基底置于120 °C的加热板上加热5–10分钟,以蒸发残留物。随后将基底放入紫外臭氧清洗机中处理10分钟。

2. 溅射法

  1. 腔室准备
    1. 取下枪体的铝制屏蔽罩,将靶材置于盖子中心。将盖子紧密地拧在磁控管支架上,并重新装回铝制屏蔽罩。用铝箔覆盖腔室主体、枪体和样品台。
    2. 使用万用表探针接触腔体之间进行短路检查(应为短路),然后接触腔体与枪体(应为短路),最后接触腔体与靶材(应为开路)。此测试是必要的,以确保腔体(阳极)与靶材(阴极)之间无电流泄漏,否则会阻碍等离子体的形成。
  2. 预溅射
    1. 关闭腔室门,对腔室抽真空15–30....

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结果

如图3A和图3B所示,使用场发射扫描电子显微镜(FESEM)记录了沉积态Bi2Te3和Sb2Te3薄膜的横截面显微图像。整体薄膜表面呈现均匀且光滑的形貌。可以看出,Bi2Te3薄膜的晶粒呈六边形,符合Bi2Te3的晶体结构;而Sb2Te3薄膜的晶粒由细小的圆形晶粒组成,与Amirghasemi等人36报道的结果相似。两种样品的横截面图像均显示出致密堆积的颗粒在基底上生长。Bi2Te3和Sb2Te3薄膜的厚度分别为约1.429 ± 0.01 µm和0.424 ± 0.01 µm,且厚度均匀。薄膜的成分通过补充文件1和补充文.......

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讨论

本文所述技术在设备安装和实施过程中并无显著困难。然而,有几个关键步骤需要特别强调。如实验方案第2.2.10步所述,最佳的真空条件对于获得高质量、低污染的薄膜至关重要,因为真空可去除腔室中的残余氧气37。氧气的存在可能导致薄膜产生称为应力开裂的裂纹,这表明在溅射过程中高真空系统的重要性38。此外,真空还能减少原子从靶材向衬底运动过程中与残余气体分子的碰撞39,从而形成高度均匀的薄膜。除此之外,实验方案中的第2.2.2步也十分关键,即通过冷却系统中的水进行热传导,有效散热以确保溅射过程持续进行。该方法使用高电压和大电流,最终表现为靶材发热。若散热不良,可能导致温度超过居里温度,从而导致整个溅射过程失败40。此外,建议在溅射过程中以每10秒增加5 W的速率逐步提高射频功率,直至达到所需功率后再开始计时。此步骤至关重要,可避免因短时间内施加过高功率而导致靶材因热冲击产生裂纹41。

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者感谢马来西亚国民大学研究基金(UKM-GGPM-2022-069)为开展本研究提供的经费支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
丙酮Chemiz (M) Sdn. Bhd.1910151液体,易燃
碲化锑,Sb2Te3中国稀有金属材料有限公司C120222-0304直径 50.8 mm,厚度 6.35 mm,纯度 99.999%
碲化铋,Bi2Te3中国稀有金属材料有限公司CB151208-0501直径 50.8 mm,厚度 4.25 mm,纯度 99.999%
乙醇Chemiz (M) Sdn. Bhd.2007081液体,易燃
场发射扫描电子显微镜ZeissMERLIN配备 EDX
霍尔效应测量系统Aseptec Sdn. Bhd.HMS ECOPIA 3000-
手持式数字万用表Prokits Industries Sdn. Bhd.303-150NCS-
HMS-3000Aseptec Sdn Bhd.HMS ECOPIA 3000霍尔效应测量软件
Linseis_TALinseis Messgeräte GmbHLSR-3Linseis 热分析软件
甲醇Chemiz (M) Sdn. Bhd.2104071液体,易燃
射频-直流磁控溅射系统Kurt J. Lesker Company-定制混合系统
塞贝克系数测量系统Linseis Messgeräte GmbHLSR-3-
SmartTiffCarl Zeiss Microscopy Ltd-SEM 图像厚度测量软件
超声波清洗仪FisherbrandFB15055-
紫外臭氧清洗机Ossila LtdL2002A3-UK-

参考文献

  1. Ochieng, A. O., Megahed, T. F., Ookawara, S., Hassan, H. Comprehensive review in waste heat recovery in different thermal energy-consuming processes using thermoelectric generators for electrical power generation. Proc Safety Environ Prot. 162, 134-154 (2022).
  2. Shilpa, M. K., et al.

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