Manuskriptet beskriver en protokol for radiofrekvensmagnetronforstøvning af Bi2Te3 og Sb2Te3 termoelektriske tynde film på glassubstrater, hvilket repræsenterer en pålidelig aflejringsmetode, der giver en bred vifte af applikationer med potentiale for yderligere udvikling.
Gennem forskellige undersøgelser af termoelektriske (TE) materialer giver tyndfilmskonfiguration overlegne fordele i forhold til konventionelle bulk-TEs, herunder tilpasningsevne til buede og fleksible substrater. Flere forskellige tyndfilmaflejringsmetoder er blevet undersøgt, men magnetronforstøvning er stadig gunstig på grund af dens høje aflejringseffektivitet og skalerbarhed. Derfor har denne undersøgelse til formål at fremstille et vismuttellurid (Bi2Te3) og antimontellurid (Sb2Te3) tyndfilm via radiofrekvensmagnetronsputteringsmetoden (RF). De tynde film blev deponeret på sodakalkglassubstrater ved omgivelsestemperatur. Substraterne blev først vasket med vand og sæbe, ultralyd renset med methanol, acetone, ethanol og deioniseret vand i 10 minutter, tørret med nitrogengas og kogeplade og endelig behandlet under UV-ozon i 10 minutter for at fjerne rester før belægningsprocessen. Et sputtermål på Bi2Te3 og Sb2Te3 med argongas blev brugt, og forforstøvning blev udført for at rense målets overflade. Derefter blev et par rene underlag lagt i sputteringskammeret, og kammeret blev støvsuget, indtil trykket nåede 2 x 10-5 Torr. De tynde film blev deponeret i 60 minutter med Argonflow på 4 sccm og RF-effekt ved henholdsvis 75 W og 30 W for Bi2Te3 og Sb2Te3. Denne metode resulterede i meget ensartede n-type Bi2Te3 og p-type Sb2Te3 tynde film.
Termoelektriske (TE) materialer har tiltrukket sig en betydelig forskningsinteresse vedrørende deres evne til at omdanne termisk energi til elektricitet via Seebeck-effekten1 og køling via Peltier-køling2. Te-materialets konverteringseffektivitet bestemmes af temperaturforskellen mellem den varme ende af TE-benet og den kolde ende. Generelt, jo højere temperaturforskelle, jo højere er TE-tallet for fortjeneste og jo højere er dets effektivitet3. TE arbejder uden krav om yderligere mekaniske dele, der involverer gas eller væske i sin proces, producerer intet affald eller forurening, hvilket gør det miljømæssigt sikkert og betragtes som et grønt energihøstningssystem.
Bismuthtellurid, Bi2Te3, og dets legeringer forbliver den vigtigste klasse af TE-materiale. Selv i termoelektrisk elproduktion, såsom genvinding af spildvarme, anvendes Bi2Te3 legeringer mest almindeligt på grund af deres overlegne effektivitet op til 200 ° C4 og forbliver et fremragende TE-materiale ved omgivelsestemperatur på trods af zT-værdien på mere end 2 i forskellige TE-materialer5. Flere offentliggjorte artikler har undersøgt TE-egenskaberne af dette materiale, hvilket viser, at den støkiometriske Bi2Te3 har en negativ Seebeck-koefficient 6,7,8, hvilket indikerer n-type egenskaber. Denne forbindelse kan imidlertid justeres til p- og n-type ved legering med henholdsvis antimontellurid (Sb2Te3) og vismutselenid (Bi2Se3), hvilket kan øge deres båndgab og reducere bipolære virkninger9.
Antimontellurid, Sb2Te3 er et andet veletableret TE-materiale med høj fortjenstfigur ved lav temperatur. Mens støkiometrisk Bi2Te3 er en stor TE med n-type egenskaber, har Sb2Te3 p-type egenskaber. I nogle tilfælde afhænger egenskaberne af TE-materialer ofte af materialets atomsammensætning, såsom n-typen Te-rig Bi2Te3, men en p-type Bi-rig Bi2Te3 på grund af BiTe antisite acceptorfejl4. Imidlertid er Sb2Te3 altid p-type på grund af forholdsvis lav dannelsesenergi af SbTe antisitefejl, selv i Te-rige Sb2Te34. Således bliver disse to materialer egnede kandidater til fremstilling af p-n-modul af termoelektrisk generator til forskellige applikationer.
De nuværende konventionelle TEG’er er lavet af ternede barrer af n-type og p-type halvledere forbundet lodret i serie10. De er kun blevet brugt i nichefelter på grund af deres lave effektivitet og omfangsrige, stive natur. Over tid er forskere begyndt at udforske tyndfilmstrukturer for bedre ydeevne og anvendelse. Det rapporteres, at tyndfilm TE har fordele i forhold til deres voluminøse modstykke, såsom højere zT på grund af deres lave varmeledningsevne11,12, mindre mængde materiale og lettere integration med integreret kredsløb12. Som følge heraf har niche-TE-forskning i termoelektriske tyndfilmsenheder været stigende og drager fordel af fordelene ved nanomaterialestruktur13,14.
Mikrofabrikation af tyndfilm er vigtig for at opnå højtydende TE-materialer. Forskellige aflejringsmetoder er blevet undersøgt og udviklet, herunder kemisk dampaflejring15, atomlagsaflejring16,17, pulserende laseraflejring 18,19,20, serigrafi 8,21 og molekylær stråleepitaksi22 for at tjene dette formål. Imidlertid lider størstedelen af disse teknikker af høje driftsomkostninger, kompleks vækstproces eller kompliceret materialeforberedelse. Tværtimod er magnetronforstøvning en omkostningseffektiv tilgang til fremstilling af tynde film af høj kvalitet, der er tættere, udviser mindre kornstørrelse, har bedre vedhæftning og høj ensartethed 23,24,25.
Magnetronforstøvning er en af de plasmabaserede fysiske dampaflejringsprocesser (PVD), der i vid udstrækning anvendes i forskellige industrielle applikationer. Sputteringprocessen fungerer, når der påføres tilstrækkelig spænding til et mål (katode), ioner fra glødudladningsplasmaet bombarderer målet og frigiver ikke kun sekundære elektroner, men også atomer af katodematerialerne, som til sidst påvirker overfladen af substratet og kondenserer som en tynd film. Sputteringprocessen blev først kommercialiseret i 1930’erne og forbedret i 1960’erne og fik betydelig interesse på grund af dens evne til at deponere en bred vifte af materialer ved hjælp af jævnstrøm (DC) og RF-sputtering26,27. Magnetronforstøvningen overvinder lav aflejringshastighed og høj substratopvarmningspåvirkning ved at udnytte magnetfelt. Den stærke magnet begrænser elektronerne i plasmaet på eller nær målets overflade og forhindrer beskadigelse af den dannede tyndfilm. Denne konfiguration bevarer støkiometri og tykkelse ensartethed af den deponerede tynde film28.
Fremstillingen af Bi2Te3 og Sb2Te3 termoelektriske tynde film ved hjælp af magnetronforstøvningsmetode er også blevet grundigt undersøgt, idet der inkorporeres teknikker som doping 4,29,30 og udglødning31 i procedurerne, hvilket fører til forskellig ydeevne og kvalitet. Undersøgelse af Zheng et al.32 bruger termisk induceret diffusionsmetode til diffus Ag-doteret Bi- og Te-lag, som blev forstøvet separat. Denne metode muliggør præcis kontrol af sammensætningen af tyndfilmene, og diffusionen af Te ved termisk induktion beskytter Te mod at blive fordampet. Egenskaberne af de tynde film kan også forbedres ved forbelægningsproces33 før forstøvning, hvilket resulterer i bedre elektrisk ledningsevne på grund af høj bærermobilitet, hvilket forbedrer effektfaktoren. Bortset fra det forbedrede undersøgelse af Chen et al.34 den termoelektriske ydeevne af forstøvet Bi2Te3 ved doping Se via diffusionsreaktionsmetode efter selenisering. Under processen fordamper Se og diffunderer ind i Bi-Te tynde film for at danne Bi-Te-Se-film, hvilket resulterer i 8 gange højere effektfaktor end undoped Bi2Te3.
Dette papir beskriver vores eksperimentelle opsætning og procedure for RF magnetron-forstøvningsteknikken til at deponere Bi2Te3 og Sb2Te3 tynde film på glassubstrater. Sputtering blev udført i en top-down konfiguration som vist i det skematiske diagram i figur 1, katode blev monteret i en vinkel til substratet normalt, hvilket førte til et mere koncentreret og konvergent plasma til substratet. Filmene blev systematisk karakteriseret ved hjælp af FESEM, EDX, Hall-effekt og Seebeck-koefficientmåling for at studere deres overflademorfologi, tykkelse, sammensætning og termoelektriske egenskaber.
Figur 1: Et skema over top-down-konfigurationssputteren. Diagrammet blev designet i overensstemmelse med, men ikke i skala, til den faktiske forstøvningskonfiguration, der var tilgængelig for denne undersøgelse, herunder arrangementet af glassubstrater, der skulle forstøves set fra toppen. Klik her for at se en større version af denne figur.
Den teknik, der præsenteres i dette dokument, frembyder ingen væsentlige vanskeligheder med at etablere udstyret og implementeringen. Der er dog flere kritiske skridt, der skal fremhæves. Som nævnt i trin 2.2.10 i protokollen er optimal vakuumtilstand nøglen til at producere tynde film af høj kvalitet med mindre forurening, da vakuum fjerner resterende ilt i kammeret37. Tilstedeværelsen af ilt kan forårsage revner i filmene kaldet spændingskrakning, hvilket indikerer vigtigheden af højva…
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne anerkende den økonomiske støtte fra Universiti Kebangsaan Malaysia forskningsbevilling: UKM-GGPM-2022-069 til at udføre denne 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 | – |