JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Engineering

Fabrikasjon av Bi2Te3 og Sb2Te3 termoelektriske tynne filmer ved bruk av radiofrekvensmagnetron sputtering teknikk

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 en protokoll for radiofrekvensmagnetronforstøvning av Bi2Te3 og Sb2Te3 termoelektriske tynne filmer på glasssubstrater, som representerer en pålitelig avsetningsmetode som gir et bredt spekter av applikasjoner med potensial for videreutvikling.

Abstract

Gjennom ulike studier på termoelektriske (TE) materialer gir tynnfilmkonfigurasjon overlegne fordeler i forhold til konvensjonelle bulkmaterialer, inkludert tilpasningsevne til buede og fleksible underlag. Flere forskjellige tynnfilmavsetningsmetoder har blitt utforsket, men magnetronforstøvning er fortsatt gunstig på grunn av sin høye avsetningseffektivitet og skalerbarhet. Derfor tar denne studien sikte på å fremstille et vismuttellurid (Bi2Te3) og antimontellurid (Sb2Te3) tynnfilm via radiofrekvens (RF) magnetronsputtering-metoden. De tynne filmene ble avsatt på brus kalkglasssubstrater ved omgivelsestemperatur. Underlagene ble først vasket med vann og såpe, ultralydrengjort med metanol, aceton, etanol og avionisert vann i 10 minutter, tørket med nitrogengass og kokeplate, og til slutt behandlet under UV-ozon i 10 minutter for å fjerne rester før belegningsprosessen. Et sputtermål på Bi2Te3 og Sb2Te3 med argongass ble brukt, og pre-sputtering ble gjort for å rense målets overflate. Deretter ble noen få rene underlag lastet inn i sputteringskammeret, og kammeret ble støvsugd til trykket nådde 2 x 10-5 Torr. De tynne filmene ble deponert i 60 minutter med argonstrømning på 4 sccm og RF-effekt ved henholdsvis 75 W og 30 W for Bi2Te3 og Sb2Te3. Denne metoden resulterte i svært ensartede n-type Bi2Te3 og p-type Sb2Te3 tynne filmer.

Introduction

Termoelektriske (TE) materialer har tiltrukket seg en betydelig forskningsinteresse angående deres evne til å konvertere termisk energi til elektrisitet via Seebeck-effekten1 og kjøling via Peltier-kjøling2. Konverteringseffektiviteten til TE-materialet bestemmes av temperaturforskjellen mellom den varme enden av TE-benet og den kalde enden. Generelt, jo høyere temperaturforskjell, jo høyere TE-fortjeneste og jo høyere effektivitet3. TE arbeider uten krav til ekstra mekaniske deler som involverer gass eller væske i prosessen, og produserer ikke avfall eller forurensning, noe som gjør det miljøsikkert og betraktet som et grønt energihøstingssystem.

Vismuttellurid, Bi2Te3, og dets legeringer forblir den viktigste klassen av TE-materiale. Selv i termoelektrisk kraftproduksjon, som gjenvinning av spillvarme, brukes Bi2Te 3-legeringer oftest på grunn av deres overlegne effektivitet opp til 200 ° C4 og forblir et utmerket TE-materiale ved omgivelsestemperatur til tross for zT-verdien på mer enn 2 i forskjellige TE-materialer5. Flere publiserte artikler har studert TE-egenskapene til dette materialet, som viser at den støkiometriske Bi2Te3 har en negativ Seebeck-koeffisient 6,7,8, noe som indikerer n-type egenskaper. Imidlertid kan denne forbindelsen justeres til p- og n-type ved legering med henholdsvis antimontellurid (Sb2Te3) og vismut selenid (Bi2Se3), noe som kan øke båndgapet og redusere bipolare effekter9.

Antimontellurid, Sb2Te3 er et annet veletablert TE-materiale med høy fortjeneste ved lav temperatur. Mens støkiometriske Bi2Te3 er en flott TE med n-type egenskaper, har Sb2Te3 p-type egenskaper. I noen tilfeller er egenskapene til TE-materialer ofte avhengig av atomsammensetningen av materialet som n-type Te-rik Bi2Te3, men en p-type Bi-rik Bi2Te3 på grunn av BiTe antisite akseptor defekter4. Imidlertid er Sb2Te3 alltid p-type på grunn av relativt lav dannelsesenergi av SbTe antisittdefekter, selv i Te-rik Sb2Te34. Dermed blir disse to materialene egnede kandidater til å fremstille pn-modul av termoelektrisk generator for ulike applikasjoner.

De nåværende konvensjonelle TEG-ene er laget av terninger av halvledere av n-type og p-type koblet vertikalt i serie10. De har bare blitt brukt i nisjefelt på grunn av deres lave effektivitet og klumpete, stive natur. Over tid har forskere begynt å utforske tynnfilmstrukturer for bedre ytelse og anvendelse. Det er rapportert at tynnfilm TE har fordeler i forhold til deres klumpete motstykke som høyere zT på grunn av deres lave varmeledningsevne11,12, mindre mengde materiale og enklere integrering med integrert krets12. Som et resultat har nisje TE-forskning på tynnfilm termoelektriske enheter vært på vei oppover, og drar nytte av fordelene med nanomaterialstruktur13,14.

Mikrofabrikasjon av tynnfilm er viktig for å oppnå TE-materialer med høy ytelse. Ulike avsetningsmetoder har blitt undersøkt og utviklet, inkludert kjemisk dampavsetning15, atomlagsavsetning16,17, pulserende laseravsetning 18,19,20, silketrykk 8,21 og molekylær stråleepitaksi22 for å tjene dette formålet. Imidlertid lider de fleste av disse teknikkene av høye driftskostnader, kompleks vekstprosess eller komplisert materialforberedelse. Tvert imot er magnetronforstøvning en kostnadseffektiv tilnærming for å produsere tynne filmer av høy kvalitet som er tettere, har mindre kornstørrelse, har bedre vedheft og høy ensartethet 23,24,25.

Magnetron sputtering er en av de plasmabaserte fysiske dampavsetningsprosessene (PVD) som er mye brukt i ulike industrielle applikasjoner. Sputtering prosessen fungerer når tilstrekkelig spenning påføres et mål (katode), ioner fra glødutladningen plasma bombarderer målet og frigjør ikke bare sekundære elektroner, men også atomer av katodematerialene som til slutt påvirker overflaten av substratet og kondenserer som en tynn film. Sputtering-prosessen ble først kommersialisert på 1930-tallet og forbedret på 1960-tallet, og fikk betydelig interesse på grunn av sin evne til å deponere et bredt spekter av materialer ved hjelp av likestrøm (DC) og RF-sputtering26,27. Magnetronforstøvningen overvinner lav avsetningshastighet og høy substratoppvarmingspåvirkning ved å utnytte magnetfelt. Den sterke magneten begrenser elektronene i plasmaet på eller nær overflaten av målet og forhindrer skade på den dannede tynnfilmen. Denne konfigurasjonen bevarer støkiometrien og tykkelsesuniformiteten til den avsatte tynnfilmen28.

Fremstillingen av Bi2Te3 og Sb2Te3 termoelektriske tynne filmer ved bruk av magnetron sputtering metode har også blitt grundig studert, innlemme teknikk som doping 4,29,30 og glødning 31 i prosedyrene, noe som fører til forskjellig ytelse og kvalitet. Studie av Zheng et al.32 bruker termisk indusert diffusjonsmetode for å diffundere Ag-dopet Bi og Te lag som ble sputtered separat. Denne metoden muliggjør presis kontroll på sammensetningen av de tynne filmene, og diffusjonen av Te ved termisk induksjon beskytter Te mot å bli fordampet. Egenskapene til de tynne filmene kan også forbedres ved forbeleggsprosess33 før forstøvning, noe som resulterer i bedre elektrisk ledningsevne på grunn av høy bærermobilitet, og dermed forbedrer effektfaktoren. Annet enn det, forbedret studie av Chen et al.34 den termoelektriske ytelsen til sputtered Bi2Te3 ved doping Se via post-selenization diffusjonsreaksjonsmetode. Under prosessen fordamper Se og diffunderer inn i Bi-Te tynne filmer for å danne Bi-Te-Se-filmer, noe som resulterer i 8 ganger høyere effektfaktor enn undoped Bi2Te3.

Dette papiret beskriver vårt eksperimentelle oppsett og prosedyre for RF-magnetronforstøvningsteknikken for å deponere Bi2Te3 og Sb2Te3 tynne filmer på glasssubstrater. Sputtering ble utført ovenfra og ned konfigurasjon som vist i skjematisk diagram i figur 1, katoden ble montert i vinkel mot substratet normalt, noe som førte til et mer konsentrert og konvergent plasma til substratet. Filmene ble systematisk karakterisert ved hjelp av FESEM, EDX, Hall-effekt og Seebeck-koeffisientmåling for å studere overflatemorfologi, tykkelse, sammensetning og termoelektriske egenskaper.

Figure 1
Figur 1: Et skjema over konfigurasjonsputteren ovenfra og ned. Diagrammet ble designet i henhold til, men ikke for å skalere, til den faktiske sputteringkonfigurasjonen som er tilgjengelig for denne studien, inkludert arrangementet av glasssubstrater som skal sputteres sett fra toppen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Protocol

1. Forberedelse av underlag Tørk glassunderlagene med lofri klut for å fjerne løs smuss eller rusk. Vask glassunderlag med vann og såpe, bruk børsten til å skrubbe smuss på glasset. Forbered alle løsningsmidler som er oppført nedenfor i begerglass, senk glasssubstratene i løsningsmidlet og soniker tilsvarende ved 37 kHz. Tilberede metanol ved 80 °C i 10 minutter; aceton ved 80 °C i 10 minutter, etanol ved 80 °C i 10 minutter, destillert (DI) vann ved 80 °C i 20 minutter….

Representative Results

Tverrsnittsmikrografer av avsatte Bi2Te3 og Sb2Te3 tynne filmer ble registrert med FESEM som vist i henholdsvis figur 3A og figur 3B. Overflaten på den samlede filmen virker jevn og glatt. Det er tydelig at krystallkornene i Bi2Te3 tynnfilmen var sekskantede, som samsvarte med krystallstrukturen til Bi2Te3 mens krystallkornene til Sb2Te3 tynnfilmen var …

Discussion

Teknikken som presenteres i denne artikkelen gir ingen betydelige problemer med å sette opp utstyret og implementeringen. Imidlertid må flere kritiske trinn fremheves. Som nevnt i trinn 2.2.10 i protokollen, er optimal vakuumtilstand nøkkelen til å produsere tynne filmer av høy kvalitet med mindre forurensning ettersom vakuum fjerner gjenværende oksygen i kammeret37. Tilstedeværelsen av oksygen kan forårsake sprekker i filmene som kalles spenningssprekking, noe som indikerer viktigheten av…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne ønsker å anerkjenne den økonomiske støtten fra Universiti Kebangsaan Malaysia forskningsstipend: UKM-GGPM-2022-069 for å utføre denne forskningen.

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. Research. 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/66248?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This 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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image