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.
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 .
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.
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.
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…
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill uppmärksamma det ekonomiska stödet från Universiti Kebangsaan Malaysia forskningsanslag: UKM-GGPM-2022-069 för att genomföra denna forskning.
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 | – |