JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Traduction automatique
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ingénierie

Изготовление термоэлектрических тонких пленок Bi2Te3 и Sb2Te3 с использованием метода радиочастотного магнетронного распыления

Published: May 17, 2024
doi:
10.3791/66248
, , , , ,
1Solar Energy Research Institute (SERI),Universiti Kebangsaan Malaysia, 2Faculty of Science and Technology,Universiti Sains Islam Malaysia

Summary

В статье описан протокол радиочастотного магнетронного распыления термоэлектрических тонких пленок Bi2Te3 и Sb2Te3 на стеклянных подложках, который представляет собой надежный метод осаждения, обеспечивающий широкий спектр применений с потенциалом для дальнейшего развития.

Abstract

Благодаря различным исследованиям термоэлектрических (ТЭ) материалов, тонкопленочная конфигурация дает превосходные преимущества по сравнению с обычными объемными ТЭ, включая приспособляемость к изогнутым и гибким подложкам. Было исследовано несколько различных методов осаждения тонких пленок, но магнетронное распыление по-прежнему предпочтительно из-за его высокой эффективности осаждения и масштабируемости. Таким образом, данное исследование направлено на получение тонкой пленки теллурида висмута (Bi2Te3) и теллурида сурьмы (Sb2Te3) методом радиочастотного (RF) магнетронного распыления. Тонкие пленки наносили на натриево-известковые стеклянные подложки при температуре окружающей среды. Сначала подложки промывали водой с мылом, ультразвуком очищали метанолом, ацетоном, этанолом и деионизированной водой в течение 10 минут, сушили газообразным азотом и горячей плитой и, наконец, обрабатывали ультрафиолетовым озоном в течение 10 минут для удаления остатков перед процессом покрытия. Использовалась мишень для распыления Bi2Te3 и Sb2Te3 с газообразным аргоном, а предварительное распыление проводилось для очистки поверхности мишени. Затем несколько чистых субстратов загружались в камеру распыления, и камера вакуумировалась до тех пор, пока давление не достигало 2 x 10-5 торр. Тонкие пленки осаждали в течение 60 мин при потоке аргона 4 sccm и радиочастотной мощности 75 Вт и 30 Вт для Bi2Te3 и Sb2Te3 соответственно. Этот метод позволил получить высокооднородные тонкие пленки N-типа Bi2Te3 и p-типа Sb2Te3 .

Introduction

Термоэлектрические (ТЭ) материалы привлекают значительный исследовательский интерес в связи с их способностью преобразовывать тепловую энергию в электрическую с помощью эффекта Зеебека1 и охлаждения с помощью охлаждения Пельтье2. Эффективность преобразования материала TE определяется разницей температур между горячим концом ветви TE и холодным концом. Как правило, чем выше разница температур, тем выше добротность TE и тем выше его КПД3. TE работает без необходимости использования дополнительных механических частей, связанных с газом или жидкостью, не производит отходов и не загрязняет окружающую среду, что делает его экологически безопасным и считается экологически чистой системой сбора энергии.

Теллурид висмута, Bi2Te3 и его сплавы остаются наиболее важным классом материалов TE. Даже в термоэлектрической энергетике, например, для рекуперации отработанного тепла, сплавы Bi2Te3 чаще всего используются из-за их превосходного КПД до 200 °C4 и остаются отличным материалом TE при температуре окружающей среды, несмотря на значение zT более 2 в различных материалах TE5. В нескольких опубликованных работах изучались свойства ТЭ этого материала, которые показывают, что стехиометрический Bi2Te3 имеет отрицательный коэффициент Зеебека 6,7,8, указывающий на свойства n-типа. Однако это соединение может быть скорректировано до p- и n-типа путем легирования теллуридом сурьмы (Sb2Te3) и селенидом висмута (Bi2Se3) соответственно, что может увеличить их запрещенную зону и уменьшить биполярные эффекты9.

Теллурид сурьмы, Sb2Te3 является еще одним хорошо зарекомендовавшим себя материалом TE с высокой добротностью при низкой температуре. В то время как стехиометрический Bi2Te3 является отличным ТЭ со свойствами n-типа, Sb2Te3 обладает свойствами p-типа. В некоторых случаях свойства ТЭ-материалов часто зависят от атомного состава материала, например, N-тип Te-богатый Bi2Te3, а p-тип Bi-rich Bi2Te3 из-за дефектов антисайтов BiTe 4. Однако Sb2Te3 всегда относится к p-типу из-за сравнительно низкой энергии образования антисайтовых дефектов SbTe , даже в богатых Te-богатым Sb2Te34. Таким образом, эти два материала становятся подходящими кандидатами для изготовления p-n модуля термоэлектрического генератора различного назначения.

Современные традиционные ТЭГ изготавливаются из нарезанных кубиками слитков полупроводников n-типа и p-типа, соединенных вертикально в последовательность10. Они использовались только в нишевых областях из-за их низкой эффективности и громоздкого, жесткого характера. Со временем исследователи начали изучать тонкопленочные структуры для лучшей производительности и применения. Сообщается, что тонкопленочные ТЭ имеют такие преимущества перед своими громоздкими аналогами, как более высокий zT из-за их низкой теплопроводности11,12, меньшее количество материала и более легкая интеграция с интегральной схемой12. В результате, нишевые исследования тонкопленочных термоэлектрических устройств находятся на подъеме, используя преимущества структуры наноматериалов13,14.

Микропроизводство тонких пленок важно для достижения высоких эксплуатационных характеристик TE-материалов. Для этой цели были исследованы и разработаны различные подходы к осаждению, включая химическое осаждение из газовой фазы15, атомно-слоевое осаждение 16,17, импульсное лазерное осаждение 18,19,20, трафаретную печать 8,21 и молекулярно-лучевую эпитаксию22. Тем не менее, большинство из этих методов страдают от высоких эксплуатационных расходов, сложного процесса роста или сложной подготовки материала. Напротив, магнетронное распыление является экономически эффективным подходом для получения высококачественных тонких пленок, которые более плотные, демонстрируют меньший размер зерна, лучшую адгезию и высокую однородность 23,24,25.

Магнетронное распыление является одним из процессов физического осаждения из газовой фазы (PVD) на основе плазмы, который широко используется в различных промышленных приложениях. Процесс распыления работает, когда на мишень (катод) подается достаточное напряжение, ионы плазмы тлеющего разряда бомбардируют мишень и высвобождают не только вторичные электроны, но и атомы катодных материалов, которые в конечном итоге ударяются о поверхность подложки и конденсируются в виде тонкой пленки. Процесс распыления был впервые коммерциализирован в 1930-х годах и усовершенствован в 1960-х годах, завоевав значительный интерес благодаря своей способности наносить широкий спектр материалов с использованием постоянного тока (DC) и радиочастотного распыления26,27. Магнетронное распыление преодолевает низкую скорость осаждения и сильное воздействие нагрева подложки за счет использования магнитного поля. Сильный магнит удерживает электроны в плазме на поверхности мишени или вблизи нее и предотвращает повреждение сформированной тонкой пленки. Такая конфигурация сохраняет стехиометрию и однородность толщины наплавленной тонкой пленки28.

Получение термоэлектрических тонких пленок Bi2Te3 и Sb2Te3 методом магнетронного распыления также было широко изучено, включая такие методы, как легирование 4,29,30 и отжиг31 в процедуры, что привело к различным характеристикам и качеству. В исследовании Zheng et al.32 используется метод термоиндуцированной диффузии для диффузии слоя Bi и Te, легированного Ag, которые были распылены отдельно. Этот метод обеспечивает точный контроль над составом тонких пленок, а диффузия Te путем тепловой индукции защищает Te от испарения. Свойства тонких пленок также могут быть улучшены путем предварительного нанесения покрытияпроцессом 33 перед распылением, что приводит к улучшению электропроводности за счет высокой подвижности носителя и, следовательно, к повышению коэффициента мощности. Кроме того, в исследовании Chen et al.34 были улучшены термоэлектрические характеристики распыленного Bi2Te3 путем легирования Se методом диффузионной реакции после селенизации. Во время процесса Se испаряется и диффундирует в тонкие пленки Bi-Te, образуя пленки Bi-Te-Se, что приводит к 8-кратному более высокому коэффициенту мощности, чем у нелегированного Bi2Te3.

В данной работе описывается экспериментальная установка и методика применения метода магнетронного распыления ВЧ для нанесения тонких пленок Bi2Te3 и Sb2Te3 на стеклянные подложки. Распыление выполнялось в нисходящей конфигурации, как показано на принципиальной схеме на рисунке 1, катод был установлен под углом к нормали подложки, что привело к более концентрированной и сходящейся плазме к подложке. Пленки были систематически охарактеризованы с использованием FESEM, EDX, эффекта Холла и измерения коэффициента Зеебека для изучения морфологии их поверхности, толщины, состава и термоэлектрических свойств.

Figure 1
Рисунок 1: Схема нисходящего распыления конфигурации. Диаграмма была разработана в соответствии с фактической конфигурацией распыления, доступной для данного исследования, но не в масштабе, включая расположение стеклянных подложек для распыления, если смотреть сверху. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Protocol

1. Подготовка основания Протрите стеклянные подложки безворсовой тканью, чтобы удалить отслоившуюся грязь или мусор. Вымойте стеклянные основания водой с мылом, используйте щетку, чтобы оттереть грязь на стекле. Подготовьте все перечисленные ниже растворители в ст?…

Representative Results

Микрофотографии поперечного сечения тонких пленок Bi2Te3 и Sb2Te3 были зарегистрированы с помощью FESEM, как показано на рисунке 3A и рисунке 3B соответственно. Поверхность всей пленки выглядит однородной и гладкой. Очевидно, что кристалли…

Discussion

Методика, представленная в данной статье, не представляет существенных сложностей в настройке оборудования и внедрении. Тем не менее, необходимо выделить несколько важных шагов. Как упоминалось на шаге 2.2.10 протокола, оптимальные условия вакуума являются ключом к получению высококаче?…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы выражают признательность за финансовую поддержку исследовательского гранта Университета Кебангсаан Малайзии: UKM-GGPM-2022-069 для проведения данного исследования.

Materials

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 –
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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. A systematic review of thermoelectric Peltier devices: Applications and limitations. Fluid Dyn Mater Proc. 19 (1), 187-206 (2022).
  3. Jiang, W., Huang, Y. . Thermoelectric technologies for harvesting energy from pavements. Eco-efficient Pavement Construction Materials. , (2020).
  4. Witting, I. T., et al. The thermoelectric properties of Bismuth telluride. Adv Elect Mater. 5 (6), 1-20 (2019).
  5. Isotta, E., et al. Towards low cost and sustainable thin film thermoelectric devices based on quaternary chalcogenides. Adv Funct Mater. 32 (32), 2202157 (2022).
  6. Yonezawa, S., Tabuchi, T., Takashiri, M. Atomic composition changes in bismuth telluride thin films by thermal annealing and estimation of their thermoelectric properties using experimental analyses and first-principles calculations. J Alloys Comp. 841, 155697 (2020).
  7. Fan, P., et al. High-performance bismuth telluride thermoelectric thin films fabricated by using the two-step single-source thermal evaporation. J Alloys Comp. 819, 153027 (2020).
  8. Amin, A., et al. Screen-printed bismuth telluride nanostructured composites for flexible thermoelectric applications. JPhys Energy. 4 (2), 024003 (2022).
  9. Witting, I. T., Ricci, F., Chasapis, T. C., Hautier, G., Snyder, G. J. The thermoelectric properties of n-type Bismuth telluride: Bismuth selenide alloys Bi2Te3−xSex. Recherche. 2020, 4361703 (2020).
  10. Shi, X. L., Zou, J., Chen, Z. G. Advanced thermoelectric design: From materials and structures to devices. Chem Rev. 120 (15), 7399 (2020).
  11. Ferrando-Villalba, P., et al. Measuring device and material ZT in a thin-film Si-based thermoelectric microgenerator. Nanomaterials. 9 (4), 653 (2019).
  12. Karthikeyan, V., et al. Wearable and flexible thin film thermoelectric module for multi-scale energy harvesting. J Power Sources. 455, 227983 (2020).
  13. Guo, X., He, Y. Mathematical modeling and optimization of platform service supply chains: A literature review. Mathematics. 10 (22), 4307 (2022).
  14. Syafiq, U., et al. Facile and low-cost fabrication of Cu/Zn/Sn-based ternary and quaternary chalcogenides thermoelectric generators. ACS Appl Ener Mater. 5 (5), 5909-5918 (2022).
  15. Newbrook, D. W., et al. Improved thermoelectric performance of Bi2Se3 alloyed Bi2Te3 thin films via low pressure chemical vapour deposition. J Alloys Comp. 848, 156523 (2020).
  16. Lim, S. S., et al. Carrier modulation in Bi2Te3-based alloys via interfacial doping with atomic layer deposition. Coatings. 10 (6), 1-8 (2020).
  17. Chen, X., Baumgart, H. Advances in atomic layer deposition (ALD) nanolaminate synthesis of thermoelectric films in porous templates for improved seebeck coefficient. Materials. 13 (6), 1-20 (2020).
  18. Darwish, A. M., et al. Thermoelectric properties of Al-doped ZnO composite films with polymer nanoparticles prepared by pulsed laser deposition. Composites Part B: Engineering. 167, 406-410 (2019).
  19. Symeou, E., Nicolaou, C., Kyratsi, T., Giapintzakis, J. Enhanced thermoelectric properties in vacuum-annealed Bi0.5Sb1.5Te3 thin films fabricated using pulsed laser deposition. J Appl Phys. 125 (21), 0 (2019).
  20. Wudil, Y. S., Gondal, M. A., Rao, S. G., Kunwar, S., Alsayoud, A. Q. Substrate temperature-dependent thermoelectric figure of merit of nanocrystalline Bi2Te3 and Bi2Te2.7Se0.3 prepared using pulsed laser deposition supported by DFT study. Ceramics Int. 46 (15), 24162-24172 (2020).
  21. Sousa, V., et al. High Seebeck coefficient from screen-printed colloidal PbSe nanocrystals thin film. Materials. 15 (24), 8805 (2022).
  22. Rao, D., et al. High mobility and high thermoelectric power factor in epitaxial ScN thin films deposited with plasma-assisted molecular beam epitaxy. Appl Phys Lett. 116 (15), 152103 (2020).
  23. Hu, B., et al. Advances in flexible thermoelectric materials and devices fabricated by magnetron sputtering. Small Sci. , 2300061 (2023).
  24. Gudmundsson, J. T. Physics and technology of magnetron sputtering discharges. Plasma Sources Science and Technology. 29 (11), 113001 (2020).
  25. Tani, J. I., Ishikawa, H. Thermoelectric properties of Mg2Sn thin films fabricated using radio frequency magnetron sputtering. Thin Solid Films. 692, 137601 (2019).
  26. Gudmundsson, J. T., Lundin, D. Introduction to magnetron sputtering. High Power Impulse Magnetron Sputtering. , 1-48 (2019).
  27. Hossain, E. S., et al. Fabrication of Cu2SnS3 thin film solar cells by sulphurization of sequentially sputtered Sn/CuSn metallic stacked precursors. Solar Energy. 177, 262-273 (2019).
  28. Maurya, D. K., Sardarinejad, A., Alameh, K. Recent developments in R.F. magnetron sputtered thin films for pH sensing applications-an overview. Coatings. 4 (4), 756-771 (2014).
  29. Ahmad, F., et al. Effect of doping and annealing on thermoelectric properties of Bismuth telluride thin films. J Electron Mater. 49 (7), 4195-4202 (2020).
  30. Zhou, Y., Li, L., Tan, Q., Li, J. F. Thermoelectric properties of Pb-doped bismuth telluride thin films deposited by magnetron sputtering. J Alloys Comp. 590, 362-367 (2014).
  31. Takayama, K., Takashiri, M. Multi-layered-stack thermoelectric generators using p-type Sb2Te3 and n-type Bi2Te3 thin films by radio-frequency magnetron sputtering. Vacuum. 144, 164-171 (2017).
  32. Zheng, Z. H., et al. Harvesting waste heat with flexible Bi2Te3 thermoelectric thin film. Nat Sustain. 6 (2), 180-191 (2023).
  33. Zhang, J., et al. Effects of Si Substrates with Variable Initial Orientations on the Growth and Thermoelectric Properties of Bi-Sb-Te Thin Films. Nanomaterials. 13 (2), 257 (2023).
  34. Chen, Y. X., et al. Realizing high thermoelectric performance in n-type Bi2Te3 based thin films via post-selenization diffusion. J Mater. 9 (4), 618-625 (2023).
  35. Zakaria, Z., et al. Effects of sulfurization temperature on Cu2ZnSnS4 thin film deposited by single source thermal evaporation method. Jpn J Appl Phys. 54, (2015).
  36. Amirghasemi, F., Kassegne, S. Effects of RF magnetron sputtering deposition power on crystallinity and thermoelectric properties of Antimony telluride and Bismuth telluride thin films on flexible substrates. J Electron Mater. 50 (4), 2190-2198 (2021).
  37. Baptista, A., et al. On the physical vapour deposition (PVD): Evolution of magnetron sputtering processes for industrial applications. Procedia Manu. 17, 746-757 (2018).
  38. Heu, R., Shahbazmohamadi, S., Yorston, J., Capeder, P. Target material selection for sputter coating of SEM samples. Microscopy Today. 27 (4), 32-36 (2019).
  39. Marquardt, N. . Introduction to the principles of vacuum physics. , 1-24 (1999).
  40. Ayachi Omar, A., Kashapov, N. F., Luchkin, A. G., Ayachi Amor, A., Ayachi Amar, A. Effect of cooling system design on the heat dissipation of the magnetron sensitive components with rectangular target during sputtering by Ar+. Results in Engineering. 16, 100696 (2022).
  41. Sharma, R., Sharma, S. Why sputtering target cracks. Zenodo. , (2020).
  42. Huang, P. C., et al. The effect of sputtering parameters on the film properties of molybdenum back contact for CIGS solar cells. Int J Photoener. 2013, 390824 (2013).
  43. Yin, Z., et al. Effect of sputtering process parameters on the uniformity of copper film deposited in micro-via. J Mater Res Technol. 25, 5249-5259 (2023).
  44. Ejaz, H., Hussain, S., Zahra, M., Saharan, Q. M., Ashiq, S. Several sputtering parameters affecting thin film deposition. J Appl Chem Sci Int. 13 (3), 41-49 (2022).
  45. Mandal, P., Singh, U. P., Roy, S. A review on the effects of PVD RF sputtering parameters on rare earth oxide thin films and their applications. IOP Conf. Ser: Mater Sci Eng. 1166 (1), 012022 (2021).
  46. Sahu, B. P., Sarangi, C. K., Mitra, R. Effect of Zr content on structure property relations of Ni-Zr alloy thin films with mixed nanocrystalline and amorphous structure. Thin Solid Films. 660, 31-45 (2018).
  47. Sahu, B. P., Dutta, A., Mitra, R. Influence of substrate bias voltage on structure and properties of DC magnetron sputtered Ni-Zr alloy thin films. J Mater Res. 35 (12), 1543-1555 (2020).
  48. Yaqub, T. B., Vuchkov, T., Sanguino, P., Polcar, T., Cavaleiro, A. Comparative study of DC and RF sputtered MoSe2 coatings containing carbon-An approach to optimize stoichiometry, microstructure,crystallinity and hardness. Coatings. 10 (2), 133 (2020).
  49. Kim, J., et al. Effect of IGZO thin films fabricated by Pulsed-DC and RF sputtering on TFT characteristics. Mater Sci Semicond Proc. 120, 105264 (2020).
  50. Panepinto, A., Snyders, R. Recent advances in the development of nano-sculpted films by magnetron sputtering for energy-related applications. Nanomaterials. 10 (10), 1-27 (2020).
  51. Lenis, J. A., Bejarano, G., Rico, P., Ribelles, J. L. G., Bolívar, F. J. Development of multilayer Hydroxyapatite – Ag/TiN-Ti coatings deposited by radio frequency magnetron sputtering with potential application in the biomedical field. Surf Coat Tech. 377, 124856 (2019).
  52. Wang, M., Chen, Y., Gao, B., Lei, H. Electrochromic properties of nanostructured WO3 thin films deposited by glancing-angle magnetron sputtering. Adv Electron Mater. 5 (5), 1-7 (2019).

Tags

Keywords:Bi2Te3Sb2Te3Thermoelectric Thin FilmsRadio Frequency Magnetron SputteringThin Film DepositionWaste Heat RecoveryThermoelectric GeneratorsN-typeP-type
check_url/fr/66248?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citer Cet Article
Ahmad Musri, N., Putthisigamany, Y., Chelvanathan, P., Ahmad Ludin, N., Md Yatim, N., Syafiq, U. Fabrication of Bi2Te3 and Sb2Te3 Thermoelectric Thin Films using Radio Frequency Magnetron Sputtering Technique. J. Vis. Exp. (207), e66248, doi:10.3791/66248 (2024).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image