Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Forberedelse af substrat
- Tør glasunderlagene af med fnugfri klud for at fjerne løst snavs eller snavs. Vask glasunderlag med vand og sæbe, brug børste til at skrubbe snavs på glasset.
- Alle opløsningsmidler, der er anført nedenfor, fremstilles i bægerglas, glassubstraterne nedsænkes i opløsningsmidlet og sonikeres tilsvarende ved 37 kHz. Forbered methanol ved 80 ° C i 10 minutter; acetone ved 80 °C i 10 min, ethanol ved 80 °C i 10 min, destilleret vand (DI) ved 80 °C i 20 min.
FORSIGTIG: Håndter meget flygtige kemikalier i en stinkhætte. - Tag substraterne ud af bægerglasset en efter en ved hjælp af en pincet, læg på en ren plan overflade, hold substratet nede med pincet og blæs med nitrogengas, indtil det er tørt.
- Sæt substrater på en varm plade ved 120 °C i 5-10 minutter for at fordampe eventuelle rester. Sæt substrater i UV-ozonrens i 10 min.
2. Sputtering metode
- Forberedelse af kammeret
- Tag aluminiumsskærmen af pistolen og læg målmaterialet i midten af dækslet. Skru dækslet tæt på magnetronholderen, og sæt aluminiumsskærmen tilbage. Dæk kammerets krop, pistoler og prøveholder med aluminiumsfolie.
- Kør kortslutningsinspektion ved at røre sonderne på et multimeter mellem kammerlegemerne (kort), efterfulgt af kammerlegemet og pistolen (kort) og endelig kammerlegemet og målet (åben). Denne test er nødvendig for at sikre, at der ikke er nogen strømlækage mellem kroppen (anoden) og målet (katoden), som kan hindre dannelsen af plasma.
- For-sputtering
- Luk døren og støvsug kammeret i 15 - 30 min. Tryk døren og kroppen sammen i begyndelsen af støvsugningen for at sikre, at døren er tæt lukket. Sørg for, at aflæsningen af manometeret er faldende.
- Tænd for kølesystemet og indstil til 15 °C. Tænd for pumpen og køleknappen, og åbn ventilen, der er tilsluttet forstøvningsinstrumentet.
BEMÆRK: RF-forstøvning fungerer ikke uden et kølesystem. Dannelsen af plasma vil ikke ske. - Indstil Argon-flowet til 4 sccm, og tænd for gaskontakten. Vent, indtil flowet når den indstillede værdi.
- Indstil rotation til 10 o / min, og tænd for rotationskontakten. Tryk på tænd / sluk-knappen for at tænde den automatisk matchende netværkscontroller og radiofrekvensstrømforsyningen.
- På den automatisk matchende netværkscontroller skal du indstille belastning og indstille til 50 W hver ved at trykke på Min/Max-knappen og trykke på knappen fra Manuel til Auto.
- På radiofrekvensstrømforsyningen skal du indstille RF-effekten til 50 W og trykke på Start-knappen . Indstil timeren til 15 min.
- Sluk for RF-strømmen og rotationen. Indstil Argon-flow til 0, og sluk for vippekontakten. Sluk for støvsugeren.
BEMÆRK: Vent, indtil Argon-flowet når 0,1 sccm, før du slukker for vakuumet. - Udluftning for at åbne kammeret. Sørg for, at den turbomolekylære pumpe (TMP) er slukket, før du udlufter. Udluftning, mens TMP kører, vil beskadige systemet.
- Åbn kammeret og læg substrater. Underlagene anbringes i det ydre hjørne af den roterende prøveholder for bedre afsætning som vist i figur 1.
FORSIGTIG: Brug maske og handske, når du håndterer indersiden af kammeret for at undgå at indånde små partikler af materialer. - Luk døren som vist i figur 2 , og støvsug i mindst 6 timer. Lavere basistryk giver bedre aflejring. Det optimale basistryk for et højvakuumsystem såsom forstøvningsproces er 1 x 10-5 Torr.
- Sputtering
- Tænd for kølesystemet og indstil til 15 °C. Tænd for pumpen og køleknappen, og åbn ventilen, der er tilsluttet forstøvningsinstrumentet.
- Indstil rotation til 10 o / min, og tænd for rotationskontakten. Indstil Argon-flowet til 4 sccm, og tænd for gaskontakten. Vent, indtil flowet når den indstillede værdi.
- Tryk på tænd / sluk-knappen for at tænde den automatisk matchende netværkscontroller og radiofrekvensstrømforsyningen.
- På den automatisk matchende netværkscontroller skal du indstille belastning og indstille til 50 W hver ved at trykke på Min/Max-knappen og trykke på knappen fra Manuel til Auto.
- På radiofrekvensstrømforsyningen skal du indstille RF-effekten til 50 W og trykke på Start-knappen .
BEMÆRK: Vent, indtil Argon-flowet når den indstillede værdi og bliver stabilt, før du tænder for RF-strømmen. - Kontroller for tilstedeværelse af plasma i kammeret. Dannelsen af plasma er indikeret af et glødende lilla lys i kammeret. Hvis plasmaet ikke er til stede, når RF-strømmen er tændt, skal du slukke for Argon i 10 sekunder og tænde den igen. Gentag indtil plasma dannes i kammeret.
- Forøg gradvist RF-effekten med 5 W pr. 10 s interval, indtil den når 75 W. Indstil timeren til 60 min.
- Efter sputtering
- Sluk for RF-strømmen og rotationen. Sluk for den automatisk matchende netværkscontroller og radiofrekvensstrømforsyningen.
- Indstil Argon-flow til 0, og sluk for gaskontakten. Sluk for støvsugeren.
BEMÆRK: Vent, indtil Argon-flowet når 0,1 sccm, før du slukker for vakuumet. - Udluftning for at åbne kammeret. Sørg for, at TMP er slukket, før du udlufter. Udluftning, mens TMP kører, vil beskadige systemet.
- Tag alle prøver ud med pincet og kom i en ren petriskål.
FORSIGTIG: Brug maske og handske, når du håndterer indersiden af kammeret for at undgå at indånde små partikler af materialer. - Rengør kammeret og støvsug i 10-15 minutter for at holde kammeret under vakuumtilstand (fri for urenheder).
Figur 2: Eksperimentel opsætning. Fotografi af sputteringmaskinen, der blev brugt i denne undersøgelse. Klik her for at se en større version af denne figur.
3. Karakterisering
- Udfør topografisk scanning og tværsnitsscanning ved hjælp af Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM, under 3,0 kV driftsspænding) for at opnå overflademikrostrukturelle detaljer og tykkelse af de forstøvede film.
- Udfør beregning af filmenes sammensætning ved hjælp af data fra de energidispersive røntgenspektre (EDX), der er fastgjort med FESEM. Hallspændingen måles i et permanent magnetfelt på 0,57 T og sondestrømme på 0,8 mA og 10 mA for henholdsvisSb2Te3og Bi2Te3 for at opnå bærerkoncentrationen og ledningsevnen af filmene35.
- Udfør in-plane måling af Seebeck koefficient ved hjælp af et lignende instrument, der anvendes af Isotta et al.5. Monter prøver med en rektangulær geometri på ca. 2 cm x 1,25 cm på opsætningen. Den absolutte Seebeck-koefficient måles i 2-kontakt-konfiguration i forhold til en Pt-standard med en temperaturgradient på ≈25 °C.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tværsnitsmikrografier af tynde film som deponeret Bi2Te3 og Sb2Te3 blev optaget ved hjælp af FESEM som vist i henholdsvis figur 3A og figur 3B. Overfladen af den samlede film fremstår ensartet og glat. Det er tydeligt, at krystalkornene i Bi2Te3 tyndfilmen var sekskantede og konformerede krystalstrukturen af Bi2Te3 , mens krystalkornene i Sb2Te3 tyndfilmen var sammensat af fine cirkulære korn, svarende til rapporteret af Amirghasemi et al36. Tværsnitsbillederne af begge prøver afslører tæt pakkede partikler, der vokser oven på substratet. Filmene havde ensartet tykkelse på ca. 1,429 ± 0,01 μm og 0,424 ± 0,01 μm for henholdsvis Bi2Te3 og Sb2Te3 tynde film. Filmens sammensætning blev beregnet ud fra EDX-spektrene i Supplementary File 1 og Supplementary File 2, og værdierne er opstillet i tabel 1. De estimerede værdier viser, at begge tyndfilm har støkiometriske forhold.
Bærerkoncentrationen og ledningsevnen af de aflejrede tyndfilm blev bestemt ved omgivelsestemperatur, mens den absolutte Seebeck-koefficient blev målt ved en temperatur på ca. 50 °C. Disse resultater fremgår af tabel 2. Bi2Te3 tyndfilmen viser negative absolutte Seebeck-koefficient- og bærerkoncentrationsværdier, der bekræfter, at filmen var n-type, og Sb2Te3-filmen viser positive værdier for både absolut Seebeck-koefficient og bærerkoncentration, der bekræfter dens p-type ledningsevne.
Figur 3: FESEM-tværsnitsbilleder. (A) Tværsnitsbillede af Bi2Te3 med filmtykkelsen. (B) Tværsnitsbillede af Sb2Te3 med filmtykkelsen. Klik her for at se en større version af denne figur.
| Mål | RF-effekt, (W) | Absolut Seebeck-koefficient, S (μV/K) | Bærerkoncentration, Nb (cm-3) | Ledningsevne, σ (Ω/cm) |
| Bi2Te3 | 75 | -72.84 | -5,71 x 1020 | 108.96 |
| SB2Te3 | 30 | 238.83 | 1,44 x 1021 | 6.05 |
Tabel 1: EDX-sammensætningsanalyse. Tabellen består af vægtprocenten erhvervet fra EDX-spektrene, beregnet atomprocent af hvert element, sammensætningsforhold, tykkelse og aflejringshastighed for både Bi2Te3 og Sb2Te3 prøver.
| Prøve | Vægtprocent (%) | Atomprocent (± 0,5%) | Atomforhold | Tykkelse (± 0,01 μm) | Deposition (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 |
Tabel 2: Termoelektriske egenskaber ved mikrofabrikerede tynde film. Tabellen består af målmaterialerne, anvendte RF-kræfter, absolutte Seebeck-koefficienter, Hall-koefficienter og ledningsevneværdier for bådeBi2Te3- og Sb2Te3-prøver.
Supplerende fil 1: Planar FESEM og EDX spektrum af Bi2Te3 med vægt procent af hvert element. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 2: Planar FESEM og EDX spektrum af Sb2Te3 med vægt procent af hvert element. Klik her for at downloade denne fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 højvakuumsystem i forstøvningsproces38. Dette reducerer også kollisioner med resterende gasmolekyle i bevægelsen af atomer39 fra målet til substratet, hvilket producerer meget ensartede tynde film. Bortset fra det er trin 2.2.2 i protokollen vigtigt for at sikre kontinuerlig forstøvning ved at sprede varmen gennem varmeoverførsel med vand fra kølesystemet. Denne metode anvender højspænding og elektrisk strøm, som i sidste ende manifesterer sig som målopvarmning. Dårlig varmeafledning kan føre til overophedning ud over Curie-temperaturen, hvilket resulterer i svigt i hele forstøvningsprocessen40. Derudover foreslås det gradvist at øge RF-effekten under forstøvning med 5 W pr. 10 s intervaller, indtil den når den ønskede effekt, før timeren startes. Dette trin er vigtigt for at undgå revner på målet på grund af termisk chok, når der leveres for meget strøm på meget kort tid41.
Sputtering påvirkes hovedsageligt af dens parameter, herunder forstøvningskraft, aflejringstid, arbejdstryk, substrattemperatur og mål til substratafstand 42,43,44,45. Sputtering power påvirker aflejringshastigheden og tykkelsen af filmen. Stigende spænding forårsager større aflejringshastighed, hvilket øger tykkelsen af filmen44. Undersøgelse af Sahu et al.46 viser variation i aflejringshastighed som følge af co-sputtering proces af Ni og Zr, med forskellig DC-effekt anvendt på Zr-målet. Resultaterne indikerer, at aflejringshastigheden for Ni-Zr-filmene stiger, når DC-strømforsyningen til Zr øges. Deres senere undersøgelse47 undersøgte effekten af negativ substratbiasspænding på aflejringshastigheden. Resultatet viser, at aflejringshastigheden gradvist falder med en stigning i substratets biasspænding. Dette fænomen kan også ses i resultaterne af denne undersøgelse, hvor Bi2Te3 sputtered med 75 W producerer tykkere film end Sb2Te3, som blev sputtered med meget lavere RF-effekt på samme aflejringstid. Imidlertid blev begge film deponeret med succes, hvilket indikerer, at RF-effekten overstiger tærskelspændingen for hvert mål og kan bruges i andre undersøgelser afhængigt af ønsket tykkelse.
Ifølge protokollen kræver denne metode ikke smeltning og fordampning af målmaterialet. Dette fører til, at næsten alle materialer kan deponeres uanset deres smeltetemperatur, hvilket gør det bedre end andre PVD-teknologier. RF-forstøvning, der anvendes i denne undersøgelse, er også mere fordelagtig end DC-forstøvning med hensyn til stabilitet. Undersøgelse af Yaqub et al.48 viser, at ladningsakkumulering på overfladen af målet forårsager plasmaustabilitet, som hindrede DC-forstøvningsprocessen. I modsætning hertil har RF-forstøvende plasma tendens til at afværge i hele kammeret i stedet for at koncentrere sig omkring målmaterialet, hvilket skaber bedre stabilitet under aflejring. Bortset fra det forhindrer RF-forstøvning ladningsopbygning, hvilket reducerer buedannelse på måloverfladen, hvilket resulterer i bedre film end DC-sputtering49.
På trods af at RF-forstøvning har forskellige attraktive fordele, kræver RF-forstøvning betydeligt højere spænding sammenlignet med DC-forstøvning med lavere aflejringshastigheder48. Det er også udsat for risikoen for overophedning på grund af højspænding, hvilket kræver avancerede kredsløb og yderligere kølesystem som angivet i trin 2.2.2 i protokollen. Bortset fra det opretholdt RF-sputtering plasma ved meget lavere tryk ved vekselstrømmen, men manglen på sekundært mål forårsager langsommere aflejringshastighed. Dette problem kan afhjælpes ved at tilføje sekundær udledning mellem målet og substratet for at øge ioniseringsfraktionen af forstøvede arter24. Alligevel bidrager alle disse faktorer til højere omkostninger, der fører til, at RF-forstøvning kun er blevet brugt i mindre skala og substrater.
Magnetronforstøvning er kernen i halvlederindustrien, hvor oprettelse af stærkt isolerende oxidfilm (barrierelag), ledende lag og metalgitter er vigtige for fremstilling af integrerede kredsløb. Forskellige udviklinger er blevet udført beregnet til energirelateret anvendelse såsom energikonvertering50, udvidelse af implementeringen af den præsenterede teknik, ikke kun til termoelektriske materialer, men også til tyndfilmssensorer og fotovoltaiske tynde film. For nylig undersøgte Lenis et al.51 potentialet i denne teknik på det biomedicinske område ved at deponere den biokompatible og antibakterielle belægning af HA-Ag / TiN-Ti, som er meget udbredt i kirurgiske proteser. Undersøgelse af Wang et al.52 viser også implementeringen af denne teknik i deponering af nanostruktur wolframtrioxid tynde film, som har vigtig potentiel anvendelse i smart windows felt. Afslutningsvis repræsenterer denne metode en robust platform for tyndfilmaflejring og en bred vifte af applikationer med potentiale for yderligere udvikling.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forfatterne vil gerne anerkende den økonomiske støtte fra Universiti Kebangsaan Malaysia forskningsbevilling: UKM-GGPM-2022-069 til at udføre denne forskning.
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).
