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

Tillverkning av Bi2Te3 och Sb2Te3 termoelektriska tunna filmer med hjälp av radiofrekvensmagnetronsputtringsteknik

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

Manuskriptet beskriver ett protokoll för radiofrekvent magnetronförstoftning av Bi2Te3 och Sb2Te3 termoelektriska tunna filmer på glassubstrat, vilket representerar en tillförlitlig deponeringsmetod som ger ett brett spektrum av applikationer potential för vidare utveckling.

Abstract

Genom olika studier på termoelektriska (TE) material ger tunnfilmskonfiguration överlägsna fördelar jämfört med konventionella bulk-TE, inklusive anpassningsförmåga till böjda och flexibla substrat. Flera olika tunnfilmsdeponeringsmetoder har utforskats, men magnetronförstoftning är fortfarande gynnsam på grund av dess höga deponeringseffektivitet och skalbarhet. Därför syftar denna studie till att tillverka en tunn film av vismuttellurid (Bi2Te3) och antimon tellurid (Sb2Te3) via radiofrekvens (RF) magnetronförstoftningsmetoden. De tunna filmerna avsattes på sodakalkglassubstrat vid omgivningstemperatur. Underlagen tvättades först med vatten och tvål, ultraljudsrengörs med metanol, aceton, etanol och avjoniserat vatten i 10 minuter, torkas med kvävgas och värmeplatta och behandlas slutligen under UV-ozon i 10 minuter för att avlägsna rester före beläggningsprocessen. Ett sputtermål av Bi2Te3 och Sb2Te3 med argongas användes, och förförstoftning gjordes för att rengöra målets yta. Sedan laddades några rena substrat i sputtringskammaren och kammaren dammsögs tills trycket nådde 2 x 10-5 Torr. De tunna filmerna deponerades i 60 minuter med argonflöde på 4 sccm och RF-effekt på 75 W och 30 W för Bi2Te3 respektive Sb2Te3. Denna metod resulterade i mycket enhetliga tunna filmer av n-typ Bi2Te3 och p-typ Sb2Te3 .

Introduction

Termoelektriska (TE) material har tilldragit sig ett stort forskningsintresse när det gäller deras förmåga att omvandla termisk energi till elektricitet via Seebeck-effekten1 och kylning via Peltier-kylning2. Omvandlingseffektiviteten för TE-material bestäms av temperaturskillnaden mellan den varma änden av TE-benet och den kalla änden. Generellt gäller att ju högre temperaturskillnad, desto högre TE-värde och desto högre effektivitet3. TE arbetar utan krav på ytterligare mekaniska delar som involverar gas eller vätska i sin process, vilket inte producerar något avfall eller föroreningar, vilket gör det miljösäkert och anses vara ett system för skörd av grön energi.

Vismuttellurid, Bi2Te3, och dess legeringar är fortfarande den viktigaste klassen av TE-material. Även inom termoelektrisk kraftproduktion, såsom återvinning av spillvärme, används Bi2Te3-legeringar oftast på grund av deras överlägsna effektivitet upp till 200 °C4 och förblir ett utmärkt TE-material vid omgivningstemperatur trots zT-värdet på mer än 2 i olika TE-material5. Flera publicerade artiklar har studerat TE-egenskaperna hos detta material, vilket visar att den stökiometriska Bi2Te3 har en negativ Seebeckkoefficient 6,7,8, vilket indikerar egenskaper av n-typ. Denna förening kan dock justeras till p- och n-typ genom legering med antimontellurid (Sb2Te3) respektive vismutselenid (Bi2Se3), vilket kan öka deras bandgap och minska bipolära effekter9.

Antimontellurid, Sb2Te3 är ett annat väletablerat TE-material med hög merit vid låg temperatur. Medan stökiometrisk Bi2Te3 är en bra TE med n-typegenskaper, har Sb2Te3 egenskaper av p-typ. I vissa fall beror egenskaperna hos TE-material ofta på materialets atomära sammansättning, såsom den n-typ Te-rika Bi2Te3, men en p-typ Bi-rich Bi2Te3 på grund av Bi Te-antisiteacceptordefekter4. Sb2Te3 är dock alltid av p-typ på grund av jämförelsevis låg bildningsenergi hos Sb Te-antisitedefekter, även i Te-rika Sb2Te34. Således blir dessa två material lämpliga kandidater för att tillverka p-n-modul av termoelektrisk generator för olika applikationer.

De nuvarande konventionella TEG:erna är gjorda av tärnade göt av halvledare av n-typ och p-typ anslutna vertikalt i serie10. De har endast använts inom nischområden på grund av deras låga effektivitet och skrymmande, styva natur. Med tiden har forskare börjat utforska tunnfilmsstrukturer för bättre prestanda och tillämpning. Det rapporteras att tunnfilms-TE har fördelar jämfört med sin skrymmande motsvarighet såsom högre zT på grund av deras låga värmeledningsförmåga11,12, mindre mängd material och enklare integration med integrerad krets12. Som ett resultat av detta har nischad TE-forskning om termoelektriska tunnfilmsenheter varit på frammarsch och dragit nytta av fördelarna med nanomaterialstruktur13,14.

Mikrofabrikation av tunnfilm är viktigt för att uppnå högpresterande TE-material. Olika deponeringsmetoder har undersökts och utvecklats, inklusive kemisk ångavsättning15, atomlagerdeponering16,17, pulsad laserdeponering 18,19,20, screentryck 8,21 och molekylstrålepitaxi22 för att tjäna detta ändamål. Majoriteten av dessa tekniker lider dock av höga driftskostnader, komplex tillväxtprocess eller komplicerad materialberedning. Tvärtom är magnetronförstoftning ett kostnadseffektivt tillvägagångssätt för att producera högkvalitativa tunna filmer som är tätare, uppvisar mindre kornstorlek, har bättre vidhäftning och hög enhetlighet 23,24,25.

Magnetronförstoftning är en av de plasmabaserade fysikaliska ångavsättningsprocesserna (PVD) som används i stor utsträckning i olika industriella tillämpningar. Sputteringprocessen fungerar när tillräcklig spänning appliceras på ett mål (katod), joner från glödurladdningsplasmat bombarderar målet och frigör inte bara sekundära elektroner, utan även atomer av katodmaterialen som så småningom träffar substratets yta och kondenserar som en tunn film. Sputteringprocessen kommersialiserades först på 1930-talet och förbättrades på 1960-talet, och fick stort intresse på grund av dess förmåga att deponera ett brett spektrum av material med hjälp av likström (DC) och RF-förstoftning26,27. Magnetronförstoftningen övervinner låg avsättningshastighet och hög substratuppvärmningspåverkan genom att utnyttja magnetfält. Den starka magneten begränsar elektronerna i plasmat vid eller nära målets yta och förhindrar skador på den bildade tunna filmen. Denna konfiguration bevarar stökiometrin och tjocklekslikformigheten hos den deponerade tunnfilmen28.

Framställningen av Bi2Te3 och Sb2Te3 termoelektriska tunna filmer med hjälp av magnetronförstoftningsmetoden har också studerats i stor utsträckning, med teknik som dopning 4,29,30 och glödgning 31 i procedurerna, vilket leder till olika prestanda och kvalitet. Studie av Zheng et al.32 använder termiskt inducerad diffusionsmetod för att diffundera Ag-dopade Bi- och Te-skikt som sputtrades separat. Denna metod möjliggör exakt kontroll av sammansättningen av de tunna filmerna och diffusionen av Te genom termisk induktion skyddar Te från att förångas. Egenskaperna hos de tunna filmerna kan också förbättras genom förbeläggningsprocess33 före förstoftning, vilket resulterar i bättre elektrisk ledningsförmåga på grund av hög bärarrörlighet, vilket förbättrar effektfaktorn. Utöver det förbättrade studie av Chen et al.34 den termoelektriska prestandan hos sputtrad Bi2Te3 genom att dopa Se via diffusionsreaktionsmetod efter selenisering. Under processen förångas och diffunderar Se in i de tunna Bi-Te-filmerna för att bilda Bi-Te-Se-filmer, vilket resulterar i 8 gånger högre effektfaktor än odopad Bi2Te3.

Denna artikel beskriver vår experimentella uppställning och procedur för RF-magnetronförstoftningstekniken för att deponera Bi2Te3 och Sb2Te3 tunna filmer på glassubstrat. Sputtering utfördes i en top-down-konfiguration som visas i det schematiska diagrammet i figur 1, katoden monterades i en vinkel mot substratnormalen, vilket ledde till en mer koncentrerad och konvergent plasma till substratet. Filmerna karakteriserades systematiskt med hjälp av FESEM, EDX, Hall-effekt och Seebeck-koefficientmätning för att studera deras ytmorfologi, tjocklek, sammansättning och termoelektriska egenskaper.

Figure 1
Bild 1: En schematisk bild av konfigurationssputtringen uppifrån och ned. Diagrammet utformades enligt, men inte i skala, till den faktiska förstoftningskonfigurationen som var tillgänglig för denna studie, inklusive arrangemanget av glassubstrat som ska sprutas sett uppifrån. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Protocol

1. Förberedelse av substrat Torka av glassubstraten med en luddfri trasa för att ta bort lös smuts eller skräp. Tvätta glassubstrat med vatten och tvål, använd borste för att skrubba eventuell smuts på glaset. Förbered alla lösningsmedel som anges nedan i bägare, sänk ner glassubstraten i lösningsmedlet och sonikera därefter vid 37 kHz. Bered metanol vid 80 °C i 10 minuter. aceton vid 80 °C i 10 min, etanol vid 80 °C i 10 min, destillerat vatten (DI) vid 80 °C i 20 …

Representative Results

Tvärsnittsmikrobilder av tunna filmer av Bi2Te3 och Sb2Te3 spelades in med FESEM som visas i figur 3A respektive figur 3B. Ytan på den övergripande filmen verkar enhetlig och slät. Det är uppenbart att kristallkornen i den tunna filmen Bi2Te3 var sexkantiga och överensstämde med kristallstrukturen hos Bi2Te3 medan kristallkornen i den tunna filmen Sb2Te…

Discussion

Tekniken som presenteras i detta dokument innebär inga större svårigheter när det gäller att installera utrustningen och implementeringen. Det finns dock flera kritiska steg som måste lyftas fram. Som nämnts i steg 2.2.10 i protokollet är optimala vakuumförhållanden nyckeln till att producera tunna filmer av hög kvalitet med mindre kontaminering eftersom vakuum avlägsnar kvarvarande syre i kammaren37. Närvaron av syre kan orsaka sprickor i filmerna som kallas spänningssprickor, vilke…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Författarna vill uppmärksamma det ekonomiska stödet från Universiti Kebangsaan Malaysia forskningsanslag: UKM-GGPM-2022-069 för att genomföra denna forskning.

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