Summary
Le manuscrit décrit un protocole de pulvérisation magnétron par radiofréquence de films minces thermoélectriques Bi2Te3 et Sb2Te3 sur des substrats de verre, ce qui représente une méthode de dépôt fiable qui offre un large éventail d’applications avec un potentiel de développement ultérieur.
Abstract
Grâce à diverses études sur les matériaux thermoélectriques (TE), la configuration des couches minces offre des avantages supérieurs à ceux des TE en vrac conventionnels, notamment l’adaptabilité aux substrats courbes et flexibles. Plusieurs méthodes différentes de dépôt de couches minces ont été explorées, mais la pulvérisation magnétron reste favorable en raison de son efficacité de dépôt et de son évolutivité élevées. Par conséquent, cette étude vise à fabriquer un film mince de tellurure de bismuth (Bi2Te3) et de tellurure d’antimoine (Sb2Te3) via la méthode de pulvérisation magnétron par radiofréquence (RF). Les couches minces ont été déposées sur des substrats de verre sodocalcique à température ambiante. Les substrats ont d’abord été lavés à l’eau et au savon, nettoyés par ultrasons avec du méthanol, de l’acétone, de l’éthanol et de l’eau déminéralisée pendant 10 minutes, séchés avec de l’azote gazeux et de la plaque chauffante, et enfin traités à l’ozone UV pendant 10 minutes pour éliminer les résidus avant le processus de revêtement. Une cible de pulvérisation de Bi2Te3 et Sb2Te3 avec du gaz argon a été utilisée, et une pré-pulvérisation a été effectuée pour nettoyer la surface de la cible. Ensuite, quelques substrats propres ont été chargés dans la chambre de pulvérisation et la chambre a été aspirée jusqu’à ce que la pression atteigne 2 x 10-5 Torr. Les couches minces ont été déposées pendant 60 min avec un débit d’argon de 4 sccm et une puissance RF de 75 W et 30 W pour Bi2Te3 et Sb2Te3, respectivement. Cette méthode a permis d’obtenir des couches minces Bi2Te3 et Sb2Te3 de type n très uniformes.
Introduction
Les matériaux thermoélectriques (TE) suscitent un intérêt considérable pour la recherche en raison de leur capacité à convertir l’énergie thermique en électricité via l’effet Seebeck1 et en réfrigération via le refroidissement Peltier2. L’efficacité de conversion du matériau TE est déterminée par la différence de température entre l’extrémité chaude de la jambe TE et l’extrémité froide. En général, plus la différence de température est élevée, plus le facteur de mérite de l’ET est élevé et plus son rendementest élevé 3. TE fonctionne sans nécessiter de pièces mécaniques supplémentaires impliquant du gaz ou du liquide dans son processus, ne produisant aucun déchet ni pollution, ce qui le rend sans danger pour l’environnement et considéré comme un système de récupération d’énergie verte.
Le tellurure de bismuth, Bi2Te3 et ses alliages restent la classe la plus importante de matériaux TE. Même dans la production d’énergie thermoélectrique, comme la récupération de la chaleur résiduelle, les alliages Bi2Te3 sont le plus souvent utilisés en raison de leur rendement supérieur jusqu’à 200 °C4 et restent un excellent matériau TE à température ambiante malgré la valeur zT supérieure à 2 dans divers matériaux TE5. Plusieurs articles publiés ont étudié les propriétés TE de ce matériau, ce qui montre que le stœchiométrique Bi2Te3 a un coefficient de Seebeck négatif 6,7,8, indiquant des propriétés de type n. Cependant, ce composé peut être ajusté aux types p et n en s’alliant avec du tellurure d’antimoine (Sb2Te3) et du séléniure de bismuth (Bi2Se3), respectivement, ce qui peut augmenter leur bande interdite et réduire les effets bipolaires9.
Le tellurure d’antimoine, Sb2Te3 est un autre matériau TE bien établi avec un indice de mérite élevé à basse température. Alors que le stœchiométrique Bi2Te3 est un excellent TE avec des propriétés de type n, Sb2Te3 a des propriétés de type p. Dans certains cas, les propriétés des matériaux TE dépendent souvent de la composition atomique du matériau, comme le Bi2Te3 riche en Te de type n, mais un Bi Bi2 Te 3de type p en raison de défauts d’accepteur d’antisite BiTe 4. Cependant, Sb2Te3 est toujours de type p en raison de l’énergie de formation relativement faible des défauts d’antisite deSb Te, même dans le Sb2Te34 riche en Te. Ainsi, ces deux matériaux deviennent des candidats appropriés pour fabriquer un module p-n de générateur thermoélectrique pour diverses applications.
Les TEG conventionnels actuels sont constitués de lingots de semi-conducteurs de type n et de type p connectés verticalement en série10. Ils n’ont été utilisés que dans des domaines de niche en raison de leur faible efficacité et de leur nature encombrante et rigide. Au fil du temps, les chercheurs ont commencé à explorer les structures en couches minces pour de meilleures performances et applications. Il est rapporté que les TE à couche mince présentent des avantages par rapport à leurs homologues encombrants, tels qu’un zT plus élevé en raison de leur faible conductivité thermique11,12, de leur moins grande quantité de matériau et de leur intégration plus facile avec le circuit intégré12. En conséquence, la recherche TE de niche sur les dispositifs thermoélectriques à couche mince a augmenté, bénéficiant des avantages de la structure des nanomatériaux 13,14.
La microfabrication de couches minces est importante pour obtenir des matériaux TE de haute performance. Diverses approches de dépôt ont été étudiées et développées, notamment le dépôt chimique en phase vapeur15, le dépôt par couche atomique16,17, le dépôt laser pulsé 18,19,20, la sérigraphie 8,21 et l’épitaxie par faisceau moléculaire22 à cette fin. Cependant, la majorité de ces techniques souffrent d’un coût d’exploitation élevé, d’un processus de croissance complexe ou d’une préparation compliquée des matériaux. Au contraire, la pulvérisation magnétron est une approche rentable pour produire des films minces de haute qualité qui sont plus denses, présentent une granulométrie plus petite, ont une meilleure adhérence et une grande uniformité 23,24,25.
La pulvérisation magnétron est l’un des procédés de dépôt physique en phase vapeur (PVD) à base de plasma qui est largement utilisé dans diverses applications industrielles. Le processus de pulvérisation fonctionne lorsqu’une tension suffisante est appliquée à une cible (cathode), les ions du plasma à décharge luminescente bombardent la cible et libèrent non seulement des électrons secondaires, mais aussi des atomes des matériaux de la cathode qui finissent par impacter la surface du substrat et se condenser sous forme de film mince. Le procédé de pulvérisation a été commercialisé pour la première fois dans les années 1930 et amélioré dans les années 1960, suscitant un intérêt considérable en raison de sa capacité à déposer une large gamme de matériaux en utilisant le courant continu (CC) et la pulvérisation RF26,27. La pulvérisation magnétron surmonte le faible taux de dépôt et l’impact élevé de l’échauffement du substrat en utilisant le champ magnétique. L’aimant puissant confine les électrons dans le plasma à la surface ou près de la surface de la cible et empêche d’endommager le film mince formé. Cette configuration préserve la stœchiométrie et l’uniformité d’épaisseur du film mince déposé28.
La préparation de couches minces thermoélectriques Bi2Te3 et Sb2Te3 à l’aide de la méthode de pulvérisation magnétron a également été largement étudiée, incorporant des techniques telles que le dopage 4,29,30 et le recuit 31 dans les procédures, conduisant à des performances et une qualité différentes. L’étude de Zheng et al.32 utilise une méthode de diffusion induite thermiquement pour diffuser des couches de Bi et de Te dopées à l’Ag qui ont été pulvérisées séparément. Cette méthode permet un contrôle précis de la composition des couches minces et la diffusion du Te par induction thermique protège le Te contre la volatilisation. Les propriétés des couches minces peuvent également être améliorées par un processus de pré-revêtement33 avant pulvérisation, ce qui se traduit par une meilleure conductivité électrique grâce à une mobilité élevée des porteurs, améliorant ainsi le facteur de puissance. En dehors de cela, l’étude de Chen et al.34 a amélioré les performances thermoélectriques de Bi2Te3 pulvérisé en dopant Se via une méthode de réaction de diffusion post-sélénisation. Au cours du processus, le Se se vaporise et diffuse dans les films minces Bi-Te pour former des films Bi-Te-Se, ce qui se traduit par un facteur de puissance 8 fois plus élevé que le Bi2Te3 non dopé.
Cet article décrit notre configuration expérimentale et notre procédure pour la technique de pulvérisation magnétron RF pour déposer des couches minces Bi2Te3 et Sb2Te3 sur des substrats de verre. La pulvérisation cathodique a été effectuée dans une configuration descendante comme le montre le schéma de la figure 1, la cathode a été montée à un angle par rapport à la normale du substrat, ce qui a conduit à un plasma plus concentré et convergent vers le substrat. Les films ont été systématiquement caractérisés à l’aide de mesures FESEM, EDX, effet Hall et coefficient de Seebeck pour étudier leur morphologie de surface, leur épaisseur, leur composition et leurs propriétés thermoélectriques.
Figure 1 : Schéma de la configuration descendante de la pulvérisation cathodique. Le diagramme a été conçu en fonction, mais pas à l’échelle, de la configuration de pulvérisation réelle disponible pour cette étude, y compris la disposition des substrats de verre à pulvériser vus du dessus. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Préparation du substrat
- Essuyez les substrats en verre avec un chiffon non pelucheux pour enlever la saleté ou les débris. Lavez les substrats en verre avec de l’eau et du savon, utilisez une brosse pour frotter toute saleté sur le verre.
- Préparez tous les solvants énumérés ci-dessous dans des béchers, immergez les substrats de verre dans le solvant et sonifiez en conséquence à 37 kHz. Préparez le méthanol à 80 °C pendant 10 min ; acétone à 80 °C pendant 10 min, éthanol à 80 °C pendant 10 min, eau distillée (DI) à 80 °C pendant 20 min.
ATTENTION : Manipulez des produits chimiques hautement volatils dans une hotte. - Retirez les substrats du bécher un par un à l’aide d’une pince à épiler, placez-les sur une surface plane et propre, maintenez le substrat avec une pince à épiler et soufflez avec de l’azote gazeux jusqu’à ce qu’il soit sec.
- Placez les substrats sur une plaque chauffante à 120 °C pendant 5 à 10 min pour vaporiser tout résidu. Mettez les substrats dans un nettoyant UV à l’ozone pendant 10 min.
2. Méthode de pulvérisation
- Préparation de la chambre
- Retirez le bouclier en aluminium du pistolet et placez le matériau cible au centre du couvercle. Vissez fermement le couvercle sur le support magnétron et remettez le blindage en aluminium. Couvrez le corps de la chambre, les pistolets et le porte-échantillon avec du papier d’aluminium.
- Effectuez une inspection de court-circuit en touchant les sondes d’un multimètre entre les corps de chambre (court-circuit), puis le corps de chambre et le pistolet (court-circuit), et enfin le corps de chambre et la cible (ouvert). Ce test est nécessaire pour s’assurer qu’il n’y a pas de fuite de courant entre le corps (anode) et la cible (cathode), ce qui peut entraver la formation de plasma.
- Pré-pulvérisation cathodique
- Fermez la porte et passez l’aspirateur dans la chambre pendant 15 à 30 minutes. Appuyez sur la porte et le corps ensemble au début de l’aspiration pour vous assurer que la porte est bien fermée. Assurez-vous que la lecture du manomètre diminue.
- Allumez le système de refroidissement et réglez-le à 15 °C. Allumez la pompe et le bouton de réfrigération, puis ouvrez la vanne connectée à l’instrument de pulvérisation.
REMARQUE : La pulvérisation RF ne fonctionne pas sans système de refroidissement. La formation de plasma ne se produira pas. - Réglez le débit d’argon sur 4 sccm et allumez l’interrupteur à bascule du gaz. Attendez que le flux atteigne la valeur définie.
- Réglez la rotation sur 10 tr/min et activez l’interrupteur à bascule de rotation. Appuyez sur le bouton d’alimentation pour allumer le contrôleur réseau d’appariement automatique et l’alimentation par radiofréquence.
- Sur le contrôleur réseau d’appariement automatique, réglez la charge et le réglage sur 50 W chacun en appuyant sur le bouton Min/Max et appuyez sur le bouton de Manuel à Auto.
- Sur l’alimentation radiofréquence, réglez la puissance RF sur 50 W et appuyez sur le bouton Démarrer . Réglez la minuterie sur 15 min.
- Coupez l’alimentation RF et la rotation. Réglez le débit d’argon sur 0 et éteignez l’interrupteur à bascule. Éteignez l’aspirateur.
REMARQUE : Attendez que le débit d’argon atteigne 0.1 sccm avant d’éteindre l’aspirateur. - Évent pour ouvrir la chambre. Assurez-vous que la pompe turbomoléculaire (TMP) est éteinte avant de ventiler. La ventilation pendant que le TMP est en cours d’exécution endommagera le système.
- Ouvrez la chambre et chargez les substrats. Placez les substrats dans le coin extérieur du porte-échantillon rotatif pour un meilleur dépôt, comme le montre la figure 1.
ATTENTION : Portez un masque et un gant lorsque vous manipulez l’intérieur de la chambre pour éviter d’inhaler de petites particules de matériaux. - Fermez la porte comme indiqué sur la Figure 2 et passez l’aspirateur pendant au moins 6 h. Une pression de base plus faible donne un meilleur dépôt. La pression de base optimale pour un système de vide poussé tel que le processus de pulvérisation est de 1 x 10-5 Torr.
- Pulvérisation
- Allumez le système de refroidissement et réglez-le à 15 °C. Allumez la pompe et le bouton de réfrigération, puis ouvrez la vanne connectée à l’instrument de pulvérisation.
- Réglez la rotation sur 10 tr/min et activez l’interrupteur à bascule de rotation. Réglez le débit d’argon sur 4 sccm et allumez l’interrupteur à bascule du gaz. Attendez que le flux atteigne la valeur définie.
- Appuyez sur le bouton d’alimentation pour allumer le contrôleur réseau d’appariement automatique et l’alimentation par radiofréquence.
- Sur le contrôleur réseau d’appariement automatique, réglez la charge et le réglage sur 50 W chacun en appuyant sur le bouton Min/Max et appuyez sur le bouton de Manuel à Auto.
- Sur l’alimentation radiofréquence, réglez la puissance RF sur 50 W et appuyez sur le bouton Démarrer .
REMARQUE : Attendez que le flux d’argon atteigne la valeur réglée et devienne stable avant de mettre l’alimentation RF. - Vérifiez la présence de plasma dans la chambre. La formation de plasma est indiquée par une lumière violette brillante dans la chambre. Si le plasma n’est pas présent une fois l’alimentation RF allumée, éteignez l’argon pendant 10 s et rallumez-le.
- Augmentez progressivement la puissance RF de 5 W par intervalle de 10 s jusqu’à ce qu’elle atteigne 75 W. Réglez la minuterie sur 60 min.
- Post-pulvérisation
- Coupez l’alimentation RF et la rotation. Éteignez le contrôleur réseau d’appariement automatique et l’alimentation par radiofréquence.
- Réglez le débit d’argon sur 0 et éteignez l’interrupteur à bascule du gaz. Éteignez l’aspirateur.
REMARQUE : Attendez que le débit d’argon atteigne 0,1 sccm avant d’éteindre l’aspirateur. - Évent pour ouvrir la chambre. Assurez-vous que le TMP est éteint avant de ventiler. La ventilation pendant que le TMP est en cours d’exécution endommagera le système.
- Retirez tous les échantillons à l’aide d’une pince à épiler et mettez-les dans une boîte de Pétri propre.
ATTENTION : Portez un masque et un gant lorsque vous manipulez l’intérieur de la chambre pour éviter d’inhaler de petites particules de matériaux. - Nettoyez la chambre et passez l’aspirateur pendant 10 à 15 minutes pour maintenir la chambre sous vide (exempte d’impuretés).
Figure 2 : Montage expérimental. Photographie de la machine à pulvériser utilisée dans cette étude. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
3. Caractérisation
- Effectuer un balayage topographique et transversal à l’aide d’un microscope électronique à balayage par émission de champ (FESEM, sous une tension de fonctionnement de 3,0 kV) pour obtenir les détails microstructuraux de surface et l’épaisseur des films pulvérisés.
- Effectuer des calculs sur la composition des films à l’aide des données des spectres de rayons X à dispersion d’énergie (EDX), attachés au FESEM. Mesurer la tension Hall dans un champ magnétique permanent de 0,57 T et des courants de sonde de 0,8 mA et 10 mA pour Sb2Te3 et Bi2Te3,, respectivement, pour obtenir la concentration de porteurs et la conductivité des films35.
- Effectuer une mesure dans le plan du coefficient de Seebeck à l’aide d’un instrument similaire utilisé par Isotta et al.5. Montez des échantillons avec une géométrie rectangulaire d’environ 2 cm x 1,25 cm sur le montage. Mesurez le coefficient de Seebeck absolu en configuration à 2 contacts par rapport à un étalon Pt, avec un gradient de température de ≈25 °C.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Des micrographies en coupe transversale de films minces Bi2Te3 et Sb2Te3 tels que déposés ont été enregistrées à l’aide de FESEM, comme le montrent respectivement les figures 3A et 3B. La surface de l’ensemble du film semble uniforme et lisse. Il est évident que les grains cristallins du film mince Bi2Te3 étaient hexagonaux, conformant la structure cristalline du Bi2Te3 tandis que les grains cristallins du film mince Sb2Te3 étaient composés de grains circulaires fins, similaires à ceux rapportés par Amirghasemi et al36. Les images en coupe transversale des deux échantillons révèlent des particules densément tassées poussant sur le substrat. Les films avaient une épaisseur uniforme d’environ 1,429 ± 0,01 μm et 0,424 ± 0,01 μm pour les films minces Bi2Te3 et Sb2Te3 , respectivement. La composition des films a été calculée à partir des spectres EDX dans le fichier supplémentaire 1 et le fichier supplémentaire 2, et les valeurs sont présentées dans le tableau 1. Les valeurs estimées montrent que les deux couches minces ont des rapports stœchiométriques.
La concentration et la conductivité des couches minces telles que déposées ont été déterminées à température ambiante, tandis que le coefficient de Seebeck absolu a été mesuré à une température d’environ 50 °C. Ces résultats sont présentés dans le tableau 2. Le film mince Bi2Te3 montre des valeurs négatives absolues de coefficient de Seebeck et de concentration de porteurs confirmant que le film était de type n et le film Sb2Te3 montre des valeurs positives pour le coefficient absolu de Seebeck et la concentration de porteurs confirmant sa conductivité de type p.
Figure 3 : Images en coupe transversale FESEM. (A) Image en coupe transversale de Bi2Te3 avec l’épaisseur du film. (B) Image en coupe transversale de Sb2Te3 avec l’épaisseur du film. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
| Cible | Puissance RF, (W) | Coefficient de Seebeck absolu, S (μV/K) | Concentration du porteur, Nb (cm-3) | Conductivité, σ (Ω/cm) |
| Bi2Te3 | 75 | -72.84 | -5.71 x 1020 | 108.96 |
| Sb2Te3 | 30 | 238.83 | 1.44 x 1021 | 6.05 |
Tableau 1 : Analyse de la composition de l’EDX. Le tableau comprend le pourcentage en poids acquis à partir des spectres EDX, le pourcentage atomique calculé de chaque élément, le rapport de composition, l’épaisseur et le taux de dépôt des échantillons Bi2Te3 et Sb2Te3 .
| Échantillon | Pourcentage de poids (%) | Pourcentage atomique (± 0,5 %) | Rapport atomique | Épaisseur (± 0,01 μm) | Taux de dépôt (nm/min) | ||
| Bi2Te3 | (Bi) 51,0 | (Te) 42,8 | (Bi) 41,9 | (Te) 58,1 | [Bi] :[Te] 2 :3 | 1.429 | 23.8 |
| Sb2Te3 | (SB) 39,6 | (Te) 59,7 | (SB) 40,0 | (Te) 60,0 | [SB] :[Te] 2 :3 | 0.424 | 7.0 |
Tableau 2 : Propriétés thermoélectriques des couches minces microfabriquées. Le tableau comprend les matériaux cibles, les puissances RF utilisées, les coefficients de Seebeck absolus, les coefficients Hall et les valeurs de conductivité des échantillons Bi2Te3 et Sb2Te3 .
Dossier supplémentaire 1 : Spectre FESEM et EDX planaire de Bi2Te3 avec pourcentage en poids de chaque élément. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Dossier supplémentaire 2 : Spectre FESEM et EDX planaire de Sb2Te3 avec pourcentage en poids de chaque élément. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
La technique présentée dans cet article ne présente pas de difficulté significative dans la mise en place de l’équipement et la mise en œuvre. Cependant, plusieurs étapes critiques doivent être soulignées. Comme mentionné à l’étape 2.2.10 du protocole, des conditions de vide optimales sont essentielles pour produire des films minces de haute qualité avec moins de contamination, car le vide élimine l’oxygène résiduel dans la chambre37. La présence d’oxygène peut provoquer des fissures dans les films, appelées fissuration sous contrainte, indiquant l’importance du système de vide poussé dans le processus de pulvérisation38. Cela réduit également les collisions avec les molécules de gaz résiduelles dans le mouvement des atomes39 de la cible au substrat, produisant des films minces très uniformes. En dehors de cela, l’étape 2.2.2 du protocole est importante pour assurer une pulvérisation continue en dissipant la chaleur par transfert de chaleur avec l’eau du système de refroidissement. Cette méthode utilise une haute tension et un courant électrique qui se manifeste finalement par un échauffement cible. Une mauvaise dissipation de la chaleur peut entraîner une surchauffe au-delà de la température de Curie, entraînant une défaillance de l’ensemble du processus de pulvérisation40. En plus de cela, il est suggéré d’augmenter progressivement la puissance RF pendant la pulvérisation de 5 W par intervalles de 10 s jusqu’à ce qu’elle atteigne la puissance souhaitée avant de démarrer la minuterie. Cette étape est importante pour éviter les fissures sur la cible dues à un choc thermique lorsque trop de puissance est fournie dans un laps de temps très court41.
La pulvérisation est principalement affectée par ses paramètres, notamment la puissance de pulvérisation, le temps de dépôt, la pression de travail, la température du substrat et la distance cible-substrat 42,43,44,45. La puissance de pulvérisation influence le taux de dépôt et l’épaisseur du film. L’augmentation de la tension entraîne un taux de dépôt plus élevé, augmentant par conséquent l’épaisseur du film44. L’étude de Sahu et al.46 montre une variation du taux de dépôt résultant du processus de co-pulvérisation du Ni et du Zr, avec une puissance CC différente appliquée à la cible Zr. Les résultats indiquent que le taux de dépôt des films Ni-Zr augmente à mesure que l’alimentation en courant continu pour Zr augmente. Leur étude ultérieure47 a examiné l’effet de la tension de polarisation négative du substrat sur le taux de dépôt. Le résultat montre que le taux de dépôt diminue progressivement avec une augmentation de la tension de polarisation du substrat. Ce phénomène peut également être observé dans les résultats de cette étude où Bi2Te3 pulvérisé avec 75 W produit des films plus épais que Sb2Te3, qui a été pulvérisé avec une puissance RF beaucoup plus faible au même moment de dépôt. Cependant, les deux films ont été déposés avec succès, ce qui indique que la puissance RF dépasse la tension de seuil de chaque cible et peut être utilisée dans d’autres études en fonction de l’épaisseur souhaitée.
Selon le protocole, cette méthode ne nécessite pas de fusion et d’évaporation du matériau cible. Cela permet à presque tous les matériaux d’être déposés quelle que soit leur température de fusion, ce qui le rend supérieur aux autres technologies PVD. La pulvérisation RF utilisée dans cette étude est également plus avantageuse que la pulvérisation CC en termes de stabilité. L’étude de Yaqub et al.48 montre que l’accumulation de charge à la surface de la cible provoque des instabilités plasmatiques qui entravent le processus de pulvérisation en courant continu. En revanche, le plasma de pulvérisation RF a tendance à se désamorcer dans toute la chambre plutôt que de se concentrer autour du matériau cible, créant ainsi une meilleure stabilité pendant le dépôt. En dehors de cela, la pulvérisation RF empêche l’accumulation de charge, ce qui réduit l’arc sur la surface cible, ce qui donne par conséquent de meilleurs films que la pulvérisation CC49.
Malgré ses nombreux avantages intéressants, la pulvérisation RF nécessite une tension nettement plus élevée que la pulvérisation CC avec des taux de dépôt plus faibles48. Il est également exposé au risque de surchauffe due à une haute tension qui exige des circuits avancés et un système de refroidissement supplémentaire, comme indiqué à l’étape 2.2.2 du protocole. En dehors de cela, la pulvérisation RF a soutenu le plasma à une pression beaucoup plus faible par le courant alternatif, mais l’absence de cible secondaire entraîne un taux de dépôt plus lent. Ce problème peut être atténué en ajoutant une décharge secondaire entre la cible et le substrat afin d’augmenter la fraction d’ionisation des espèces pulvérisées24. Pourtant, tous ces facteurs contribuent à un coût plus élevé qui conduit à ce que la pulvérisation RF n’ait été utilisée qu’à petite échelle et dans des substrats.
La pulvérisation magnétron est au cœur de l’industrie des semi-conducteurs, où la création de films d’oxyde hautement isolants (couche barrière), couche conductrice et grille métallique est importante pour la fabrication de circuits intégrés. Divers développements ont été réalisés pour des applications liées à l’énergie telles que la conversion d’énergie50, élargissant la mise en œuvre de la technique présentée, non seulement pour les matériaux thermoélectriques, mais aussi pour les capteurs à couche mince et les couches minces photovoltaïques. Récemment, Lenis et al.51 ont étudié le potentiel de cette technique dans le domaine biomédical en déposant le revêtement biocompatible et antibactérien de HA-Ag/TiN-Ti qui est largement utilisé dans les prothèses chirurgicales. L’étude de Wang et al.52 montre également la mise en œuvre de cette technique dans le dépôt de couches minces de trioxyde de tungstène nanostructuré qui a une application potentielle importante dans le domaine des fenêtres intelligentes. En conclusion, cette méthode représente une plate-forme robuste pour le dépôt de couches minces et une large gamme d’applications avec un potentiel de développement ultérieur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Les auteurs tiennent à remercier le soutien financier de la subvention de recherche de l’Universiti Kebangsaan Malaysia : UKM-GGPM-2022-069 pour mener à bien cette recherche.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 | - |
References
- 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).
- Shilpa, M. K., et al. A systematic review of thermoelectric Peltier devices: Applications and limitations. Fluid Dyn Mater Proc. 19 (1), 187-206 (2022).
- Jiang, W., Huang, Y. Thermoelectric technologies for harvesting energy from pavements. Eco-efficient Pavement Construction Materials. , (2020).
- Witting, I. T., et al. The thermoelectric properties of Bismuth telluride. Adv Elect Mater. 5 (6), 1-20 (2019).
- Isotta, E., et al. Towards low cost and sustainable thin film thermoelectric devices based on quaternary chalcogenides. Adv Funct Mater. 32 (32), 2202157 (2022).
- 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).
- 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).
- Amin, A., et al. Screen-printed bismuth telluride nanostructured composites for flexible thermoelectric applications. JPhys Energy. 4 (2), 024003 (2022).
- 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. Research. 2020, 4361703 (2020).
- Shi, X. L., Zou, J., Chen, Z. G. Advanced thermoelectric design: From materials and structures to devices. Chem Rev. 120 (15), 7399 (2020).
- Ferrando-Villalba, P., et al. Measuring device and material ZT in a thin-film Si-based thermoelectric microgenerator. Nanomaterials. 9 (4), 653 (2019).
- Karthikeyan, V., et al. Wearable and flexible thin film thermoelectric module for multi-scale energy harvesting. J Power Sources. 455, 227983 (2020).
- Guo, X., He, Y. Mathematical modeling and optimization of platform service supply chains: A literature review. Mathematics. 10 (22), 4307 (2022).
- 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).
- 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).
- Lim, S. S., et al. Carrier modulation in Bi2Te3-based alloys via interfacial doping with atomic layer deposition. Coatings. 10 (6), 1-8 (2020).
- 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).
- 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).
- 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), 0-9 (2019).
- 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).
- Sousa, V., et al. High Seebeck coefficient from screen-printed colloidal PbSe nanocrystals thin film. Materials. 15 (24), 8805 (2022).
- 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).
- Hu, B., et al. Advances in flexible thermoelectric materials and devices fabricated by magnetron sputtering. Small Sci. , 2300061 (2023).
- Gudmundsson, J. T. Physics and technology of magnetron sputtering discharges. Plasma Sources Science and Technology. 29 (11), 113001 (2020).
- Tani, J. I., Ishikawa, H. Thermoelectric properties of Mg2Sn thin films fabricated using radio frequency magnetron sputtering. Thin Solid Films. 692, 137601 (2019).
- Gudmundsson, J. T., Lundin, D.
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Zheng, Z. H., et al. Harvesting waste heat with flexible Bi2Te3 thermoelectric thin film. Nat Sustain. 6 (2), 180-191 (2023).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Baptista, A., et al. On the physical vapour deposition (PVD): Evolution of magnetron sputtering processes for industrial applications. Procedia Manu. 17, 746-757 (2018).
- Heu, R., Shahbazmohamadi, S., Yorston, J., Capeder, P. Target material selection for sputter coating of SEM samples. Microscopy Today. 27 (4), 32-36 (2019).
- Marquardt, N. Introduction to the principles of vacuum physics. , 1-24 (1999).
- 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).
- Sharma, R., Sharma, S.
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
