पांडुलिपि ग्लास सब्सट्रेट पर Bi2Te3 और Sb2Te3 थर्मोइलेक्ट्रिक पतली फिल्मों के रेडियो फ्रीक्वेंसी मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन करती है, जो एक विश्वसनीय जमाव विधि का प्रतिनिधित्व करती है जो आगे के विकास की संभावना के साथ अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला प्रदान करती है।
थर्मोइलेक्ट्रिक (टीई) सामग्री पर विभिन्न अध्ययनों के माध्यम से, पतली फिल्म विन्यास पारंपरिक थोक टीई पर बेहतर लाभ देता है, जिसमें घुमावदार और लचीले सब्सट्रेट के अनुकूलन क्षमता शामिल है। कई अलग-अलग पतली फिल्म जमाव विधियों का पता लगाया गया है, फिर भी मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग अभी भी इसकी उच्च जमाव दक्षता और मापनीयता के कारण अनुकूल है। इसलिए, इस अध्ययन का उद्देश्य रेडियो फ्रीक्वेंसी (आरएफ) मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग विधि के माध्यम से एक बिस्मथ टेल्यूराइड (बीआई2ते3) और सुरमा टेल्यूराइड (एसबी2ते3) पतली फिल्म बनाना है। पतली फिल्मों को परिवेश के तापमान पर सोडा लाइम ग्लास सब्सट्रेट पर जमा किया गया था। सब्सट्रेट को पहले पानी और साबुन का उपयोग करके धोया गया था, अल्ट्रासोनिक रूप से मेथनॉल, एसीटोन, इथेनॉल और 10 मिनट के लिए विआयनीकृत पानी से साफ किया गया था, नाइट्रोजन गैस और गर्म प्लेट के साथ सूख गया था, और अंत में अवशेषों को हटाने के लिए 10 मिनट के लिए यूवी ओजोन के तहत इलाज किया गया था कोटिंग प्रक्रिया। आर्गन गैस के साथ Bi2Te3 और Sb2Te3 के स्पटर लक्ष्य का उपयोग किया गया था, और लक्ष्य की सतह को साफ करने के लिए प्री-स्पटरिंग किया गया था। फिर, कुछ साफ substrates sputtering कक्ष में लोड किया गया, और चैम्बर वैक्यूम किया गया था जब तक दबाव 2 एक्स 10-5 Torr तक पहुंच गया. पतली फिल्मों को क्रमशः Bi2Te3 और Sb2Te3 के लिए 75 W और 30 W पर 4 sccm और RF पावर के आर्गन प्रवाह के साथ 60 मिनट के लिए जमा किया गया था। इस विधि के परिणामस्वरूप अत्यधिक समान एन-टाइप बीआई2ते3 और पी-टाइप एसबी2ते3 पतली फिल्में हुईं।
थर्मोइलेक्ट्रिक (टीई) सामग्री सीबेक प्रभाव1 के माध्यम से थर्मल ऊर्जा को बिजली में बदलने और पेल्टियर कूलिंग2 के माध्यम से प्रशीतन करने की उनकी क्षमता के बारे में काफी मात्रा में अनुसंधान हित को आकर्षित कर रही है। टीई सामग्री की रूपांतरण दक्षता टीई पैर के गर्म अंत और ठंडे अंत के बीच तापमान अंतर से निर्धारित होती है। आम तौर पर, तापमान का अंतर जितना अधिक होता है, योग्यता का टीई आंकड़ा उतना ही अधिक होता है और इसकी दक्षता उतनी ही अधिक होती है3. टीई अपनी प्रक्रिया में गैस या तरल से जुड़े अतिरिक्त यांत्रिक भागों की आवश्यकता के बिना काम करता है, कोई अपशिष्ट या प्रदूषण पैदा नहीं करता है, जिससे यह पर्यावरण की दृष्टि से सुरक्षित हो जाता है और इसे हरित ऊर्जा संचयन प्रणाली माना जाता है।
बिस्मथ टेलुराइड, बीआई2ते3, और इसके मिश्र धातु ते सामग्री का सबसे महत्वपूर्ण वर्ग बने हुए हैं। यहां तक कि थर्मोइलेक्ट्रिक पावर जनरेशन में, जैसे अपशिष्ट गर्मी की वसूली, बीआई2ते3 मिश्र धातुओं का उपयोग आमतौर पर 200 डिग्री सेल्सियस4 तक उनकी बेहतर दक्षता के कारण किया जाता है और विभिन्न टीईसामग्री 5 में 2 से अधिक के जेडटी मूल्य के बावजूद परिवेश के तापमान पर एक उत्कृष्ट टीई सामग्री बनी रहती है। कई प्रकाशित पत्रों ने इस सामग्री के TE गुणों का अध्ययन किया है, जो दर्शाता है कि स्टोइकोमेट्रिक Bi2Te3 में नकारात्मक सीबेक गुणांक 6,7,8 है, जो n-प्रकार के गुणों को दर्शाता है। हालांकि, इस यौगिक को क्रमशः सुरमा टेल्यूराइड (एसबी2ते3) और बिस्मथ सेलेनाइड (बीआई2एसई3) के साथ मिश्र धातु द्वारा पी- और एन-प्रकार में समायोजित किया जा सकता है, जो उनके बैंडगैप को बढ़ा सकता है और द्विध्रुवी प्रभाव को कम कर सकताहै 9.
एंटीमनी टेलुराइड, एसबी2ते3 कम तापमान पर योग्यता के उच्च आंकड़े के साथ एक और अच्छी तरह से स्थापित टीई सामग्री है। जबकि स्टोइकोमेट्रिक बीआई2ते3 एन-टाइप गुणों के साथ एक महान टीई है, एसबी2ते3 में पी-टाइप गुण हैं। कुछ मामलों में, टीई सामग्री के गुण अक्सर सामग्री की परमाणु संरचना पर निर्भर करते हैं जैसे कि एन-टाइप टी-रिच बीआई2ते3, लेकिन बीआईते एंटीसाइट स्वीकर्ता दोष4 के कारण पी-टाइप द्वि-समृद्ध बीआई2ते3। हालांकि, एसबी2ते3 हमेशा एसबीते एंटीसाइट दोषों की तुलनात्मक रूप से कम गठन ऊर्जा के कारण पी-प्रकार होता है, यहां तक कि टी-समृद्ध एसबी2ते34 में भी। इस प्रकार, ये दो सामग्री विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर के पी-एन मॉड्यूल को बनाने के लिए उपयुक्त उम्मीदवार बन जाते हैं।
वर्तमान पारंपरिक टीईजी श्रृंखला10 में लंबवत जुड़े एन-प्रकार और पी-प्रकार अर्धचालकों के डाइस्ड सिल्लियों से बने होते हैं। उनका उपयोग केवल उनकी कम दक्षता और भारी, कठोर प्रकृति के कारण आला क्षेत्रों में किया गया है। समय के साथ, शोधकर्ताओं ने बेहतर प्रदर्शन और अनुप्रयोग के लिए पतली फिल्म संरचनाओं का पता लगाना शुरू कर दिया है। यह बताया गया है कि पतली फिल्म ते उनके भारी समकक्ष पर फायदे हैं जैसे कि उच्च जेडटी उनकी कम तापीय चालकता11,12, सामग्री की कम मात्रा और एकीकृत सर्किट12 के साथ आसान एकीकरण के कारण। नतीजतन, पतली फिल्म थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरणों पर आला ते अनुसंधान नैनोमटेरियल संरचना13,14 के फायदे से लाभ बढ़ रहा है.
उच्च प्रदर्शन टीई सामग्री प्राप्त करने के लिए पतली फिल्म का माइक्रोफैब्रिकेशन महत्वपूर्ण है। इस उद्देश्य की सेवा के लिए रासायनिक वाष्प जमाव15, परमाणु परत जमाव 16,17, स्पंदित लेजर जमाव 18,19,20, स्क्रीन प्रिंटिंग 8,21, और आणविक बीम एपिटैक्सी22 सहित विभिन्न जमाव दृष्टिकोणों पर शोध और विकास किया गया है। हालांकि, इन तकनीकों में से अधिकांश उच्च संचालन लागत, जटिल विकास प्रक्रिया या जटिल सामग्री की तैयारी से ग्रस्त हैं। इसके विपरीत, मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग उच्च गुणवत्ता वाली पतली फिल्मों के निर्माण के लिए एक लागत प्रभावी दृष्टिकोण है जो सघन हैं, छोटे अनाज के आकार का प्रदर्शन करते हैं, बेहतर आसंजन और उच्च एकरूपता 23,24,25है।
मैग्नेट्रोन स्पटरिंग प्लाज्मा-आधारित भौतिक वाष्प जमाव (पीवीडी) प्रक्रियाओं में से एक है जिसका व्यापक रूप से विभिन्न औद्योगिक अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है। स्पटरिंग प्रक्रिया तब काम करती है जब एक लक्ष्य (कैथोड) पर पर्याप्त वोल्टेज लागू होता है, चमक निर्वहन प्लाज्मा से आयन लक्ष्य पर बमबारी करते हैं और न केवल माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों को छोड़ते हैं, बल्कि कैथोड सामग्री के परमाणु भी छोड़ते हैं जो अंततः सब्सट्रेट की सतह को प्रभावित करते हैं और एक पतली फिल्म के रूप में संघनित होते हैं। स्पटरिंग प्रक्रिया को पहली बार 1930 के दशक में व्यावसायीकृत किया गया था और 1960 के दशक में सुधार किया गया था, डायरेक्ट करंट (डीसी) और आरएफ स्पटरिंग 26,27का उपयोग करके सामग्री की विस्तृत श्रृंखला जमा करने की क्षमता के कारण महत्वपूर्ण रुचि प्राप्त करना। मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करके कम जमाव दर और उच्च सब्सट्रेट हीटिंग प्रभाव पर काबू पाता है। मजबूत चुंबक लक्ष्य की सतह पर या उसके पास प्लाज्मा में इलेक्ट्रॉनों को सीमित करता है और गठित पतली फिल्म को नुकसान से बचाता है। यह विन्यास जमा पतली फिल्म28 की स्टोइकोमेट्री और मोटाई एकरूपता को संरक्षित करता है।
मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग विधि का उपयोग करके बीआई2ते3 और एसबी2ते3 थर्मोइलेक्ट्रिक पतली फिल्मों की तैयारी का भी बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है, जिसमें प्रक्रियाओं में डोपिंग 4,29,30 औरएनीलिंग 31 जैसी तकनीक शामिल है, जिससे विभिन्न प्रदर्शन और गुणवत्ता होती है। झेंग एट अल.32 द्वारा अध्ययन एजी-डोप्ड बीआई और ते परत को फैलाने के लिए थर्मली प्रेरित प्रसार विधि का उपयोग करता है जो अलग-अलग स्पटर्ड थे। यह विधि पतली फिल्मों की संरचना पर सटीक नियंत्रण को सक्षम बनाती है और थर्मल इंडक्शन द्वारा ते का प्रसार ते को अस्थिर होने से बचाता है। पतली फिल्मों के गुणों को स्पटरिंग से पहले प्री-कोटिंग प्रक्रिया33 द्वारा भी बढ़ाया जा सकता है जिसके परिणामस्वरूप उच्च वाहक गतिशीलता के कारण बेहतर विद्युत चालकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप पावर फैक्टर में वृद्धि होती है। इसके अलावा, चेन एट अल 34 द्वारा किए गए अध्ययन ने पोस्ट-सेलेनाइजेशन प्रसार प्रतिक्रिया विधि के माध्यम से एसई को डोपिंग करके स्पटर्ड बीआई2ते3 के थर्मोइलेक्ट्रिक प्रदर्शन में सुधार किया। प्रक्रिया के दौरान, Se द्वि-Te-Se फिल्मों को बनाने के लिए Bi-Te पतली फिल्मों में वाष्पीकृत और फैलता है, जिसके परिणामस्वरूप unoped Bi2Te3 की तुलना में 8 गुना अधिक शक्ति कारक होता है।
यह पत्र ग्लास सब्सट्रेट पर बीआई2ते3 और एसबी2ते3 पतली फिल्मों को जमा करने के लिए आरएफ मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग तकनीक के लिए हमारे प्रयोगात्मक सेटअप और प्रक्रिया का वर्णन करता है। स्पटरिंग को टॉप-डाउन कॉन्फ़िगरेशन में किया गया था जैसा कि चित्रा 1 में योजनाबद्ध आरेख में दिखाया गया है, कैथोड को सब्सट्रेट सामान्य के कोण पर रखा गया था, जिससे सब्सट्रेट के लिए अधिक केंद्रित और अभिसरण प्लाज्मा हो जाता है। फिल्मों को व्यवस्थित रूप से FESEM, EDX, हॉल प्रभाव और सीबेक गुणांक माप का उपयोग करके उनकी सतह आकृति विज्ञान, मोटाई, संरचना और थर्मोइलेक्ट्रिक गुणों का अध्ययन करने के लिए चित्रित किया गया था।
चित्रा 1: टॉप-डाउन कॉन्फ़िगरेशन स्पटर का एक योजनाबद्ध। आरेख के अनुसार डिजाइन किया गया था, लेकिन पैमाने पर नहीं, इस अध्ययन के लिए उपलब्ध वास्तविक स्पटरिंग विन्यास के लिए, ग्लास सब्सट्रेट की व्यवस्था सहित ऊपर से देखा स्पटर्ड किया जा करने के लिए. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
इस पत्र में प्रस्तुत तकनीक उपकरण और कार्यान्वयन की स्थापना में कोई महत्वपूर्ण कठिनाई प्रस्तुत नहीं करती है। हालांकि, कई महत्वपूर्ण कदमों पर प्रकाश डालने की आवश्यकता है। जैसा कि प्रोटोकॉल के चरण 2.2.10 म?…
The authors have nothing to disclose.
लेखक इस शोध को करने के लिए Universiti Kebangsaan Malaysia Research Grant: UKM-GGPM-2022-069 से वित्तीय सहायता को स्वीकार करना चाहेंगे।
Acetone | Chemiz (M) Sdn. Bhd. | 1910151 | Liquid, Flammable |
Antimony Telluride, Sb2Te3 | China Rare Metal Material Co.,Ltd | C120222-0304 | Diameter 50.8 mm, Thickness 6.35 mm, 99.999% purity |
Bismuth Telluride, Bi2Te3 | China Rare Metal Material Co.,Ltd | CB151208-0501 | Diameter 50.8 mm, Thickness 4.25 mm, 99.999% purity |
Ethanol | Chemiz (M) Sdn. Bhd. | 2007081 | Liquid, Flammable |
Field Emission Scanning Electron Microscope | Zeiss | MERLIN | Equipped with EDX |
Hall effect measurement system | Aseptec Sdn. Bhd. | HMS ECOPIA 3000 | – |
Handheld digital multimeter | Prokits Industries Sdn. Bhd. | 303-150NCS | – |
HMS-3000 | Aseptec Sdn Bhd. | HMS ECOPIA 3000 | Hall effect measurement software |
Linseis_TA | Linseis Messgeräte GmbH | LSR-3 | Linseis thermal analysis software |
Methanol | Chemiz (M) Sdn. Bhd. | 2104071 | Liquid, Flammable |
RF-DC magnetron sputtering | Kurt J. Lesker Company | – | Customized hybrid system |
Seebeck coefficient measurement system | Linseis Messgeräte GmbH | LSR-3 | – |
SmartTiff | Carl Zeiss Microscopy Ltd | – | SEM image thickness measurement software |
Ultrasonic bath | Fisherbrand | FB15055 | – |
UV ozone cleaner | Ossila Ltd | L2002A3-UK | – |