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Ingénierie

Fabricación de películas delgadas termoeléctricas Bi2Te3 y Sb2Te3 utilizando la técnica de pulverización catódica de magnetrón de radiofrecuencia

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

El manuscrito describe un protocolo para la pulverización catódica de magnetrón de radiofrecuencia de películas delgadas termoeléctricas Bi2Te3 y Sb2Te3 sobre sustratos de vidrio, que representa un método de deposición confiable que proporciona una amplia gama de aplicaciones con potencial para un mayor desarrollo.

Abstract

A través de varios estudios sobre materiales termoeléctricos (TE), la configuración de película delgada ofrece ventajas superiores sobre los TE convencionales a granel, incluida la adaptabilidad a sustratos curvos y flexibles. Se han explorado varios métodos diferentes de deposición de película delgada, sin embargo, la pulverización catódica con magnetrón sigue siendo favorable debido a su alta eficiencia de deposición y escalabilidad. Por lo tanto, este estudio tiene como objetivo fabricar una película delgada de teluro de bismuto (Bi2Te3) y teluro de antimonio (Sb2Te3) mediante el método de pulverización catódica de magnetrón de radiofrecuencia (RF). Las películas delgadas se depositaron sobre sustratos de vidrio sódico-cálcico a temperatura ambiente. Los sustratos se lavaron primero con agua y jabón, se limpiaron por ultrasonidos con metanol, acetona, etanol y agua desionizada durante 10 minutos, se secaron con gas nitrógeno y placa calefactora, y finalmente se trataron con ozono UV durante 10 minutos para eliminar los residuos antes del proceso de recubrimiento. Se utilizó un blanco de pulverización catódica de Bi2Te3 y Sb2Te3 con gas argón, y se realizó una pulverización catódica previa para limpiar la superficie del objetivo. Luego, se cargaron algunos sustratos limpios en la cámara de pulverización catódica y la cámara se aspiró hasta que la presión alcanzó 2 x 10-5 Torr. Las películas delgadas se depositaron durante 60 min con un flujo de argón de 4 sccm y una potencia de RF a 75 W y 30 W para Bi2Te3 y Sb2Te3, respectivamente. Este método dio como resultado películas delgadas altamente uniformes de tipo n Bi2Te3 y Sb2Te3 de tipo p.

Introduction

Los materiales termoeléctricos (TE) han atraído un considerable interés de investigación con respecto a su capacidad para convertir la energía térmica en electricidad a través del efecto Seebeck1 y la refrigeración a través del enfriamiento Peltier2. La eficiencia de conversión del material TE está determinada por la diferencia de temperatura entre el extremo caliente de la pata TE y el extremo frío. Generalmente, cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor será la cifra de mérito de TE y mayor será su eficiencia3. TE trabaja sin necesidad de piezas mecánicas adicionales que involucren gas o líquido en su proceso, no produce residuos ni contaminación, lo que lo hace seguro para el medio ambiente y se considera un sistema de recolección de energía verde.

El teluro de bismuto, Bi2Te3 y sus aleaciones siguen siendo la clase más importante de material TE. Incluso en la generación de energía termoeléctrica, como la recuperación del calor residual, las aleaciones Bi2Te3 se utilizan con mayor frecuencia debido a su eficiencia superior hasta 200 °C4 y siguen siendo un excelente material TE a temperatura ambiente a pesar del valor zT de más de 2 en varios materiales TE5. Varios trabajos publicados han estudiado las propiedades TE de este material, lo que muestra que el estequiométrico Bi2Te3 tiene un coeficiente de Seebeck negativo 6,7,8, lo que indica propiedades de tipo n. Sin embargo, este compuesto puede ajustarse a los tipos p y n mediante la aleación con teluro de antimonio (Sb2Te3) y seleniuro de bismuto (Bi2Se3), respectivamente, que pueden aumentar su banda prohibida y reducir los efectos bipolares9.

El teluro de antimonio, Sb2Te3 es otro material TE bien establecido con una alta figura de mérito a baja temperatura. Mientras que el estequiométrico Bi2Te3 es un gran TE con propiedades de tipo n, Sb2Te3 tiene propiedades de tipo p. En algunos casos, las propiedades de los materiales TE a menudo dependen de la composición atómica del material, como el Bi2Te 3 rico en Tede tipo n, pero un Bi 2 Te 3 rico en Tede tipo p debidoa defectos aceptores de antisitios de BiTe 4. Sin embargo, Sb2Te3 es siempre de tipo p debido a la energía de formación comparativamente baja de los defectos del antisitio SbTe, incluso en Sb2Te34 ricos en Te. Por lo tanto, estos dos materiales se convierten en candidatos adecuados para fabricar el módulo p-n del generador termoeléctrico para diversas aplicaciones.

Los TEG convencionales actuales están hechos de lingotes cortados en cubitos de semiconductores de tipo n y tipo p conectados verticalmente en la serie10. Solo se han utilizado en campos de nicho debido a su baja eficiencia y su naturaleza voluminosa y rígida. Con el tiempo, los investigadores han comenzado a explorar estructuras de película delgada para un mejor rendimiento y aplicación. Se informa que los TE de película delgada tienen ventajas sobre su contraparte voluminosa, como una mayor zT debido a su baja conductividad térmica11,12, menor cantidad de material y una integración más fácil con el circuito integrado12. Como resultado, la investigación de nicho de TE en dispositivos termoeléctricos de película delgada ha ido en aumento, beneficiándose de las ventajas de la estructura de nanomateriales13,14.

La microfabricación de películas delgadas es importante para lograr materiales TE de alto rendimiento. Se han investigado y desarrollado varios enfoques de deposición, incluida la deposición químicade vapor 15, la deposición de capa atómica16,17, la deposición láser pulsada 18,19,20, la serigrafía 8,21 y la epitaxia de haz molecular22 para servir a este propósito. Sin embargo, la mayoría de estas técnicas sufren de un alto costo de operación, un proceso de crecimiento complejo o una preparación de material complicada. Por el contrario, la pulverización catódica con magnetrón es un enfoque rentable para producir películas delgadas de alta calidad que son más densas, exhiben un tamaño de grano más pequeño, tienen mejor adhesión y alta uniformidad 23,24,25.

La pulverización catódica con magnetrón es uno de los procesos de deposición física de vapor (PVD) basados en plasma que se usa ampliamente en diversas aplicaciones industriales. El proceso de pulverización catódica funciona cuando se aplica suficiente voltaje a un objetivo (cátodo), los iones del plasma de descarga incandescente bombardean el objetivo y liberan no solo electrones secundarios, sino también átomos de los materiales del cátodo que eventualmente impactan en la superficie del sustrato y se condensan como una película delgada. El proceso de pulverización catódica se comercializó por primera vez en la década de 1930 y se mejoró en la década de 1960, ganando un interés significativo debido a su capacidad para depositar una amplia gama de materiales utilizando corriente continua (CC) y pulverización catódica de RF26,27. La pulverización catódica del magnetrón supera la baja tasa de deposición y el alto impacto del calentamiento del sustrato mediante la utilización de un campo magnético. El imán fuerte confina los electrones en el plasma en o cerca de la superficie del objetivo y evita daños a la película delgada formada. Esta configuración preserva la estequiometría y la uniformidad del espesor de la película delgada depositada28.

La preparación de películas delgadas termoeléctricas Bi2Te3 y Sb2Te3 utilizando el método de pulverización catódica de magnetrón también ha sido ampliamente estudiada, incorporando técnicas como el dopaje 4,29,30 y el recocido 31 en los procedimientos, lo que lleva a diferentes rendimientos y calidades. El estudio de Zheng et al.32 utiliza el método de difusión inducida térmicamente para difundir las capas de Bi y Te dopadas con Ag que se pulverizaron por separado. Este método permite un control preciso de la composición de las películas delgadas y la difusión de Te por inducción térmica protege el Te de la volatilización. Las propiedades de las películas delgadas también se pueden mejorar mediante el proceso de recubrimiento previo33 antes de la pulverización catódica, lo que da como resultado una mejor conductividad eléctrica debido a la alta movilidad del portador, lo que mejora el factor de potencia. Por otra parte, el estudio de Chen et al.34 mejoró el rendimiento termoeléctrico de Bi2Te3 pulverizado mediante el dopaje de Se mediante el método de reacción de difusión posterior a la selenización. Durante el proceso, Se vaporiza y se difunde en las películas delgadas de Bi-Te para formar películas de Bi-Te-Se, lo que da como resultado un factor de potencia 8 veces mayor que el Bi2Te3 sin dopar.

Este artículo describe nuestra configuración experimental y el procedimiento para la técnica de pulverización catódica de magnetrón de RF para depositar películas delgadas Bi2Te3 y Sb2Te3 sobre sustratos de vidrio. La pulverización catódica se realizó en una configuración de arriba hacia abajo como se muestra en el diagrama esquemático de la Figura 1, el cátodo se montó en un ángulo con respecto al sustrato normal, lo que condujo a un plasma más concentrado y convergente con el sustrato. Las películas se caracterizaron sistemáticamente mediante FESEM, EDX, efecto Hall y medición del coeficiente de Seebeck para estudiar su morfología superficial, espesor, composición y propiedades termoeléctricas.

Figure 1
Figura 1: Esquema de la pulverización catódica de configuración de arriba hacia abajo. El diagrama se diseñó de acuerdo con la configuración real de pulverización catódica disponible para este estudio, pero no a escala, incluida la disposición de los sustratos de vidrio que se van a pulverizar vistos desde la parte superior. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Protocol

1. Preparación del sustrato Limpie los sustratos de vidrio con un paño sin pelusa para eliminar la suciedad suelta o los residuos. Lave los sustratos de vidrio con agua y jabón, use un cepillo para restregar la suciedad en el vidrio. Prepare todos los disolventes que se enumeran a continuación en vasos de precipitados, sumerja los sustratos de vidrio en el disolvente y sonique en consecuencia a 37 kHz. Preparar metanol a 80 °C durante 10 min; acetona a 80 °C durante 10 min, etan…

Representative Results

Se registraron micrografías transversales de películas delgadas de Bi2Te3 y Sb2Te3 depositadas utilizando FESEM, como se muestra en la Figura 3A y la Figura 3B, respectivamente. La superficie de la película en general parece uniforme y lisa. Es evidente que los granos cristalinos de la película delgada Bi2Te3 eran hexagonales, conformando la estructura cristalina de Bi2Te3</sub…

Discussion

La técnica presentada en este trabajo no presenta dificultades significativas en la configuración del equipo y la implementación. Sin embargo, es necesario destacar varios pasos críticos. Como se mencionó en el paso 2.2.10 del protocolo, las condiciones óptimas de vacío son clave para producir películas delgadas de alta calidad con menos contaminación, ya que el vacío elimina el oxígeno residual en la cámara37. La presencia de oxígeno puede causar grietas en las películas llamadas ag…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Los autores agradecen el apoyo financiero de la beca de investigación de la Universidad Kebangsaan de Malasia: UKM-GGPM-2022-069 para llevar a cabo esta investigación.

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

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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).
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