Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Изготовление термоэлектрических тонких пленок Bi2Te3 и Sb2Te3 с использованием метода радиочастотного магнетронного распыления

Published: May 17, 2024 doi: 10.3791/66248
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 1
1Solar Energy Research Institute (SERI), Universiti Kebangsaan Malaysia, 2Faculty of Science and Technology, Universiti Sains Islam Malaysia

Summary

В статье описан протокол радиочастотного магнетронного распыления термоэлектрических тонких пленок Bi2Te3 и Sb2Te3 на стеклянных подложках, который представляет собой надежный метод осаждения, обеспечивающий широкий спектр применений с потенциалом для дальнейшего развития.

Abstract

Благодаря различным исследованиям термоэлектрических (ТЭ) материалов, тонкопленочная конфигурация дает превосходные преимущества по сравнению с обычными объемными ТЭ, включая приспособляемость к изогнутым и гибким подложкам. Было исследовано несколько различных методов осаждения тонких пленок, но магнетронное распыление по-прежнему предпочтительно из-за его высокой эффективности осаждения и масштабируемости. Таким образом, данное исследование направлено на получение тонкой пленки теллурида висмута (Bi2Te3) и теллурида сурьмы (Sb2Te3) методом радиочастотного (RF) магнетронного распыления. Тонкие пленки наносили на натриево-известковые стеклянные подложки при температуре окружающей среды. Сначала подложки промывали водой с мылом, ультразвуком очищали метанолом, ацетоном, этанолом и деионизированной водой в течение 10 минут, сушили газообразным азотом и горячей плитой и, наконец, обрабатывали ультрафиолетовым озоном в течение 10 минут для удаления остатков перед процессом покрытия. Использовалась мишень для распыления Bi2Te3 и Sb2Te3 с газообразным аргоном, а предварительное распыление проводилось для очистки поверхности мишени. Затем несколько чистых субстратов загружались в камеру распыления, и камера вакуумировалась до тех пор, пока давление не достигало 2 x 10-5 торр. Тонкие пленки осаждали в течение 60 мин при потоке аргона 4 sccm и радиочастотной мощности 75 Вт и 30 Вт для Bi2Te3 и Sb2Te3 соответственно. Этот метод позволил получить высокооднородные тонкие пленки N-типа Bi2Te3 и p-типа Sb2Te3 .

Introduction

Термоэлектрические (ТЭ) материалы привлекают значительный исследовательский интерес в связи с их способностью преобразовывать тепловую энергию в электрическую с помощью эффекта Зеебека1 и охлаждения с помощью охлаждения Пельтье2. Эффективность преобразования материала TE определяется разницей температур между горячим концом ветви TE и холодным концом. Как правило, чем выше разница температур, тем выше добротность TE и тем выше его КПД3. TE работает без необходимости использования дополнительных механических частей, связанных с газом или жидкостью, не производит отходов и не загрязняет окружающую среду, что делает его экологически безопасным и считается экологически чистой системой сбора энергии.

Теллурид висмута, Bi2Te3 и его сплавы остаются наиболее важным классом материалов TE. Даже в термоэлектрической энергетике, например, для рекуперации отработанного тепла, сплавы Bi2Te3 чаще всего используются из-за их превосходного КПД до 200 °C4 и остаются отличным материалом TE при температуре окружающей среды, несмотря на значение zT более 2 в различных материалах TE5. В нескольких опубликованных работах изучались свойства ТЭ этого материала, которые показывают, что стехиометрический Bi2Te3 имеет отрицательный коэффициент Зеебека 6,7,8, указывающий на свойства n-типа. Однако это соединение может быть скорректировано до p- и n-типа путем легирования теллуридом сурьмы (Sb2Te3) и селенидом висмута (Bi2Se3) соответственно, что может увеличить их запрещенную зону и уменьшить биполярные эффекты9.

Теллурид сурьмы, Sb2Te3 является еще одним хорошо зарекомендовавшим себя материалом TE с высокой добротностью при низкой температуре. В то время как стехиометрический Bi2Te3 является отличным ТЭ со свойствами n-типа, Sb2Te3 обладает свойствами p-типа. В некоторых случаях свойства ТЭ-материалов часто зависят от атомного состава материала, например, N-тип Te-богатый Bi2Te3, а p-тип Bi-rich Bi2Te3 из-за дефектов антисайтов BiTe 4. Однако Sb2Te3 всегда относится к p-типу из-за сравнительно низкой энергии образования антисайтовых дефектов SbTe , даже в богатых Te-богатым Sb2Te34. Таким образом, эти два материала становятся подходящими кандидатами для изготовления p-n модуля термоэлектрического генератора различного назначения.

Современные традиционные ТЭГ изготавливаются из нарезанных кубиками слитков полупроводников n-типа и p-типа, соединенных вертикально в последовательность10. Они использовались только в нишевых областях из-за их низкой эффективности и громоздкого, жесткого характера. Со временем исследователи начали изучать тонкопленочные структуры для лучшей производительности и применения. Сообщается, что тонкопленочные ТЭ имеют такие преимущества перед своими громоздкими аналогами, как более высокий zT из-за их низкой теплопроводности11,12, меньшее количество материала и более легкая интеграция с интегральной схемой12. В результате, нишевые исследования тонкопленочных термоэлектрических устройств находятся на подъеме, используя преимущества структуры наноматериалов13,14.

Микропроизводство тонких пленок важно для достижения высоких эксплуатационных характеристик TE-материалов. Для этой цели были исследованы и разработаны различные подходы к осаждению, включая химическое осаждение из газовой фазы15, атомно-слоевое осаждение 16,17, импульсное лазерное осаждение 18,19,20, трафаретную печать 8,21 и молекулярно-лучевую эпитаксию22. Тем не менее, большинство из этих методов страдают от высоких эксплуатационных расходов, сложного процесса роста или сложной подготовки материала. Напротив, магнетронное распыление является экономически эффективным подходом для получения высококачественных тонких пленок, которые более плотные, демонстрируют меньший размер зерна, лучшую адгезию и высокую однородность 23,24,25.

Магнетронное распыление является одним из процессов физического осаждения из газовой фазы (PVD) на основе плазмы, который широко используется в различных промышленных приложениях. Процесс распыления работает, когда на мишень (катод) подается достаточное напряжение, ионы плазмы тлеющего разряда бомбардируют мишень и высвобождают не только вторичные электроны, но и атомы катодных материалов, которые в конечном итоге ударяются о поверхность подложки и конденсируются в виде тонкой пленки. Процесс распыления был впервые коммерциализирован в 1930-х годах и усовершенствован в 1960-х годах, завоевав значительный интерес благодаря своей способности наносить широкий спектр материалов с использованием постоянного тока (DC) и радиочастотного распыления26,27. Магнетронное распыление преодолевает низкую скорость осаждения и сильное воздействие нагрева подложки за счет использования магнитного поля. Сильный магнит удерживает электроны в плазме на поверхности мишени или вблизи нее и предотвращает повреждение сформированной тонкой пленки. Такая конфигурация сохраняет стехиометрию и однородность толщины наплавленной тонкой пленки28.

Получение термоэлектрических тонких пленок Bi2Te3 и Sb2Te3 методом магнетронного распыления также было широко изучено, включая такие методы, как легирование 4,29,30 и отжиг31 в процедуры, что привело к различным характеристикам и качеству. В исследовании Zheng et al.32 используется метод термоиндуцированной диффузии для диффузии слоя Bi и Te, легированного Ag, которые были распылены отдельно. Этот метод обеспечивает точный контроль над составом тонких пленок, а диффузия Te путем тепловой индукции защищает Te от испарения. Свойства тонких пленок также могут быть улучшены путем предварительного нанесения покрытияпроцессом 33 перед распылением, что приводит к улучшению электропроводности за счет высокой подвижности носителя и, следовательно, к повышению коэффициента мощности. Кроме того, в исследовании Chen et al.34 были улучшены термоэлектрические характеристики распыленного Bi2Te3 путем легирования Se методом диффузионной реакции после селенизации. Во время процесса Se испаряется и диффундирует в тонкие пленки Bi-Te, образуя пленки Bi-Te-Se, что приводит к 8-кратному более высокому коэффициенту мощности, чем у нелегированного Bi2Te3.

В данной работе описывается экспериментальная установка и методика применения метода магнетронного распыления ВЧ для нанесения тонких пленок Bi2Te3 и Sb2Te3 на стеклянные подложки. Распыление выполнялось в нисходящей конфигурации, как показано на принципиальной схеме на рисунке 1, катод был установлен под углом к нормали подложки, что привело к более концентрированной и сходящейся плазме к подложке. Пленки были систематически охарактеризованы с использованием FESEM, EDX, эффекта Холла и измерения коэффициента Зеебека для изучения морфологии их поверхности, толщины, состава и термоэлектрических свойств.

Figure 1
Рисунок 1: Схема нисходящего распыления конфигурации. Диаграмма была разработана в соответствии с фактической конфигурацией распыления, доступной для данного исследования, но не в масштабе, включая расположение стеклянных подложек для распыления, если смотреть сверху. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Подготовка основания

  1. Протрите стеклянные подложки безворсовой тканью, чтобы удалить отслоившуюся грязь или мусор. Вымойте стеклянные основания водой с мылом, используйте щетку, чтобы оттереть грязь на стекле.
  2. Подготовьте все перечисленные ниже растворители в стаканы, погрузите стеклянные подложки в растворитель и выполните ультразвуковую обработку на частоте 37 кГц. Готовят метанол при температуре 80 °C в течение 10 мин; ацетон при 80 °C в течение 10 мин, этанол при 80 °C в течение 10 мин, дистиллированная (DI) вода при 80 °C в течение 20 мин.
    ВНИМАНИЕ: Работайте с высоколетучими химическими веществами в вытяжном шкафу.
  3. Выньте субстраты из стакана по одному с помощью пинцета, положите на чистую ровную поверхность, прижмите субстрат пинцетом и продуйте газообразным азотом до полного высыхания.
  4. Положите субстраты на горячую плиту при температуре 120 °C на 5-10 минут, чтобы испарить остатки. Поместите субстраты в УФ-очиститель озона на 10 минут.

2. Метод распыления

  1. Подготовка камеры
    1. Снимите алюминиевый щиток с пистолета и поместите материал мишени в центр крышки. Плотно закрутите крышку на держателе магнетрона и поставьте обратно алюминиевый щиток. Накройте корпус патронника, пистолета и держателя образца алюминиевой фольгой.
    2. Выполните проверку короткого замыкания, прикоснувшись щупами мультиметра к корпусам патронников (короткие), затем к корпусу патронника и пистолету (короткий) и, наконец, к корпусу патронника и мишени (открытый). Это испытание необходимо для того, чтобы убедиться в отсутствии утечки тока между корпусом (анодом) и мишенью (катодом), которая может препятствовать образованию плазмы.
  2. Предварительное напыление
    1. Закройте дверцу и пылесосьте камеру в течение 15 - 30 минут. Прижмите дверцу и корпус друг к другу в начале уборки, чтобы убедиться, что дверца плотно закрыта. Убедитесь, что показания манометра уменьшаются.
    2. Включите систему охлаждения и установите 15 °C. Включите насос и кнопку охлаждения и откройте клапан, подключенный к прибору для распыления.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Радиочастотное распыление не работает без системы охлаждения. Образования плазмы не произойдет.
    3. Установите расход аргона на 4 sccm и включите тумблер газа. Подождите, пока поток не достигнет заданного значения.
    4. Установите вращение на 10 об/мин и включите тумблер вращения. Нажмите кнопку питания , чтобы включить автоматический согласованный сетевой контроллер и радиочастотный источник питания.
    5. На сетевом контроллере с автоматическим согласованием установите нагрузку и настройку на 50 Вт каждая, нажав кнопку Min/Max и нажав кнопку от Manual (Вручную ) до Auto.
    6. На радиочастотном источнике питания установите радиочастотную мощность на 50 Вт и нажмите кнопку «Пуск ». Установите таймер на 15 минут.
    7. Выключите радиочастотное питание и вращение. Установите расход аргона на 0 и выключите тумблер. Выключите пылесос.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Подождите, пока поток аргона не достигнет 0,1 куб. см, прежде чем выключать пылесос.
    8. Вентиляционное отверстие, чтобы открыть камеру. Перед выпуском воздуха убедитесь, что турбомолекулярный насос (TMP) выключен. Вентиляция во время работы TMP приведет к повреждению системы.
    9. Откройте камеру и загрузите субстраты. Поместите подложки во внешний угол вращающегося держателя образца для лучшего осаждения, как показано на рисунке 1.
      ВНИМАНИЕ: Надевайте маску и перчатки при работе с внутренней частью камеры, чтобы избежать вдыхания мелких частиц материалов.
    10. Закройте дверцу, как показано на рисунке 2 , и пылесосьте не менее 6 часов. Более низкое базовое давление обеспечивает лучшее осаждение. Оптимальное базовое давление для высоковакуумной системы, такой как процесс распыления, составляет 1 x 10-5 Торр.
  3. Разбрызгивание
    1. Включите систему охлаждения и установите 15 °C. Включите насос и кнопку охлаждения и откройте клапан, подключенный к прибору для распыления.
    2. Установите вращение на 10 об/мин и включите тумблер вращения. Установите расход аргона на 4 sccm и включите тумблер газа. Подождите, пока поток не достигнет заданного значения.
    3. Нажмите кнопку питания , чтобы включить автоматический согласованный сетевой контроллер и радиочастотный источник питания.
    4. На сетевом контроллере с автоматическим согласованием установите нагрузку и настройку на 50 Вт каждая, нажав кнопку Min/Max и нажав кнопку от Manual (Вручную ) до Auto.
    5. На радиочастотном источнике питания установите радиочастотную мощность на 50 Вт и нажмите кнопку «Пуск ».
      ПРИМЕЧАНИЕ: Подождите, пока поток аргона не достигнет заданного значения и не станет стабильным, прежде чем включать радиочастотное питание.
    6. Проверьте наличие плазмы в камере. На образование плазмы указывает светящийся фиолетовый свет в камере. Если плазма отсутствует после включения радиочастотного питания, выключите аргон на 10 секунд и снова включите его. Повторяйте до тех пор, пока плазма не образуется в камере.
    7. Постепенно увеличивайте мощность РЧ до 5 Вт каждые 10 с, пока она не достигнет 75 Вт. Установите таймер на 60 минут.
  4. Пост-распыление
    1. Выключите радиочастотное питание и вращение. Выключите автоматический согласованный сетевой контроллер и радиочастотный источник питания.
    2. Установите расход аргона на 0 и выключите газовый тумблер. Выключите пылесос.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Подождите, пока поток аргона не достигнет 0,1 sccm, прежде чем выключать пылесос.
    3. Вентиляционное отверстие, чтобы открыть камеру. Перед проветриванием убедитесь, что TMP выключен. Вентиляция во время работы TMP приведет к повреждению системы.
    4. Выньте все образцы с помощью пинцета и положите в чистую чашку Петри.
      ВНИМАНИЕ: Надевайте маску и перчатки при работе с внутренней частью камеры, чтобы избежать вдыхания мелких частиц материалов.
    5. Очистите камеру и пылесосьте в течение 10-15 минут, чтобы сохранить камеру в состоянии вакуума (без примесей).

Figure 2
Рисунок 2: Экспериментальная установка. Фотография распылительной машины, использованной в данном исследовании. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

3. Характеристика

  1. Выполнить топографическое сканирование и сканирование поперечных сечений с помощью полевого эмиссионного сканирующего электронного микроскопа (FESEM, под рабочим напряжением 3,0 кВ) для получения поверхностных микроструктурных деталей и толщины напыляемых пленок.
  2. Выполнить расчет по составу пленок по данным энергодисперсионных рентгеновских спектров (EDX), прилагаемых к FESEM. Измеряют напряжение Холла в постоянном магнитном поле 0,57 Тл и зондовые токи 0,8 мА и 10 мА для Sb2Te3 и Bi2Te3 соответственно для получения концентрации носителя и проводимости пленок35.
  3. Выполните измерение коэффициента Зеебека в плоскости с помощью прибора, аналогичного тому, который использовали Isotta et al.5. Установите образцы с прямоугольной геометрией примерно 2 см x 1,25 см на установке. Измерьте абсолютный коэффициент Зеебека в 2-контактной конфигурации по стандарту Pt с температурным градиентом ≈25 °C.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Микрофотографии поперечного сечения тонких пленок Bi2Te3 и Sb2Te3 были зарегистрированы с помощью FESEM, как показано на рисунке 3A и рисунке 3B соответственно. Поверхность всей пленки выглядит однородной и гладкой. Очевидно, что кристаллические зерна тонкой пленки Bi2Te3 были гексагональными, что соответствовало кристаллической структуре Bi2Te3 , в то время как кристаллические зерна тонкой пленки Sb2Te3 состояли из мелких кольцевых зерен, аналогично описанным Amirghasemi et al36. Изображения поперечного сечения обоих образцов показывают плотно упакованные частицы, растущие поверх подложки. Пленки имели равномерную толщину примерно 1,429 ± 0,01 мкм и 0,424 ± 0,01 мкм для тонких пленок Bi2Te3 и Sb2Te3 соответственно. Состав пленок был рассчитан по спектрам EDX в Дополнительном файле 1 и Дополнительном файле 2, а значения сведены в таблицу 1. Оценочные значения показывают, что обе тонкие пленки имеют стехиометрические соотношения.

Концентрацию носителя и проводимость осажденных тонких пленок определяли при температуре окружающей среды, а абсолютный коэффициент Зеебека — при температуре около 50 °C. Эти результаты представлены в таблице 2. Тонкая пленка Bi2Te3 показывает отрицательные абсолютные значения коэффициента Зеебека и концентрации носителя, подтверждающие принадлежность пленки n-типа, а пленка Sb2Te3 показывает положительные значения как абсолютного коэффициента Зеебека, так и концентрации носителя, что подтверждает ее проводимость p-типа.

Figure 3
Рисунок 3: Изображения поперечного сечения FESEM. (A) Изображение поперечного сечения Bi2Te3 с толщиной пленки. (B) Изображение поперечного сечения Sb2Te3 с толщиной пленки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Цель Мощность ВЧ, (Вт) Абсолютный коэффициент Зеебека, S (мкВ/К) Концентрация носителя, Nb (см-3) Проводимость, σ (Ω/см)
Би2Те3 75 -72.84 -5,71 х 1020 108.96
Сб2Те3 30 238.83 1,44 х 1021 6.05

Таблица 1: Анализ состава EDX. Таблица состоит из весового процента, полученного из спектров EDX, рассчитанного атомного процента каждого элемента, соотношения состава, толщины и скорости осаждения образцов Bi2Te3 и Sb2Te3 .

Образец Вес в процентах (%) Атомный процент (± 0.5%) Атомное соотношение Толщина (± 0,01 мкм) Скорость осаждения (нм/мин)
Би2Те3 (Би) 51,0 (Te) 42,8 (Би) 41,9 (Те) 58,1 [Би]:[Те] 2:3 1.429 23.8
Сб2Те3 (сб) 39,6 (те) 59,7 (сб) 40,0 (те) 60,0 2:3 0.424 7.0

Таблица 2: Термоэлектрические свойства микрофабрикатных тонких пленок. Таблица состоит из материалов мишеней, используемых ВЧ-мощностей, абсолютных коэффициентов Зеебека, коэффициентов Холла и значений проводимости образцов Bi2Te3 и Sb2Te3 .

Дополнительный файл 1: Планарный спектр FESEM и EDX Bi2Te3 с весовыми процентами каждого элемента. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Дополнительный файл 2: Планарный спектр FESEM и EDX Sb2Te3 с весовыми процентами каждого элемента. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Методика, представленная в данной статье, не представляет существенных сложностей в настройке оборудования и внедрении. Тем не менее, необходимо выделить несколько важных шагов. Как упоминалось на шаге 2.2.10 протокола, оптимальные условия вакуума являются ключом к получению высококачественных тонких пленок с меньшим загрязнением, поскольку вакуум удаляет остаточный кислород в камере37. Присутствие кислорода может вызвать трещины в пленках, называемые растрескиванием под напряжением, что указывает на важность системы высокого вакуума в процессе распыления38. Это также уменьшает столкновения с молекулой остаточного газа при движении атомов39 от мишени к подложке, образуя высокооднородные тонкие пленки. Кроме того, шаг 2.2.2 в протоколе важен для обеспечения непрерывного распыления за счет рассеивания тепла за счет теплопередачи с водой из системы охлаждения. В этом методе используется высокое напряжение и электрический ток, что в конечном итоге проявляется как нагрев мишени. Плохое рассеивание тепла может привести к перегреву выше температуры Кюри, что приводит к нарушению всего процесса распыления40. Кроме того, перед запуском таймера рекомендуется постепенно увеличивать мощность ВЧ во время распыления на 5 Вт с интервалом в 10 с, пока она не достигнет желаемой мощности. Этот шаг важен для того, чтобы избежать трещин на мишени из-за теплового удара, когда слишком много мощности подается за очень короткий промежуток времени41.

Распыление в основном зависит от его параметра, включая мощность распыления, время осаждения, рабочее давление, температуру подложки и расстояние от мишени до подложки 42,43,44,45. Мощность распыления влияет на скорость осаждения и толщину пленки. Увеличение напряжения приводит к увеличению скорости осаждения, следовательно, увеличивается толщина пленки44. Исследование Sahu et al.46 показывает различия в скорости осаждения в результате процесса совместного распыления Ni и Zr при разной мощности постоянного тока, приложенной к Zr-мишени. Результаты показывают, что скорость осаждения пленок Ni-Zr увеличивается по мере увеличения источника питания постоянного тока для Zr. В более позднем исследовании47 изучалось влияние отрицательного напряжения смещения подложки на скорость осаждения. Результат показывает, что скорость осаждения постепенно уменьшается с увеличением напряжения смещения подложки. Это явление также можно увидеть в результатах этого исследования, где Bi2Te3 при распылении мощностью 75 Вт дает более толстые пленки, чем Sb2Te3, который был распылен с гораздо меньшей мощностью RF при том же времени осаждения. Тем не менее, обе пленки были успешно нанесены, показывая, что мощность РЧ превышает пороговое напряжение каждой мишени, и могут быть использованы в других исследованиях в зависимости от желаемой толщины.

Согласно протоколу, этот метод не требует плавления и испарения целевого материала. Это приводит к тому, что практически все материалы могут наплавляться независимо от температуры их плавления, что делает его превосходящим другие технологии PVD. Радиочастотное распыление, используемое в этом исследовании, также более выгодно, чем распыление постоянного тока с точки зрения стабильности. Исследование Yaqub et al.48 показывает, что накопление заряда на поверхности мишени вызывает нестабильность плазмы, которая препятствует процессу распыления постоянного тока. В отличие от этого, плазма ВЧ-распыления имеет тенденцию обезвреживаться по всей камере, а не концентрироваться вокруг материала мишени, создавая лучшую стабильность во время осаждения. Кроме того, ВЧ-распыление предотвращает накопление заряда, что уменьшает дугу на поверхности мишени, что приводит к получению более качественных пленок, чем распыление постоянного тока49.

Несмотря на ряд привлекательных преимуществ, ВЧ-распыление требует значительно более высокого напряжения по сравнению с распылением постоянного тока с более низкой скоростью осаждения48. Он также подвержен риску перегрева из-за высокого напряжения, что требует усовершенствованной схемотехники и дополнительной системы охлаждения, как указано в шаге 2.2.2 протокола. Кроме того, ВЧ-распыление поддерживало плазму при гораздо более низком давлении переменным током, однако отсутствие вторичной мишени приводит к более медленной скорости осаждения. Эту проблему можно смягчить, добавив вторичный разряд между мишенью и подложкой для увеличения фракции ионизации распыляемых частиц24. Тем не менее, все эти факторы способствуют более высокой стоимости, что приводит к тому, что радиочастотное распыление используется только в меньших масштабах и на подложках.

Магнетронное распыление является ядром полупроводниковой промышленности, где создание высокоизоляционных оксидных пленок (барьерный слой), проводящего слоя и металлической сетки имеет важное значение для изготовления интегральных схем. Были сделаны различные разработки, предназначенные для приложений, связанных с энергетикой, таких как преобразование энергии50, расширяющие реализацию представленной техники не только для термоэлектрических материалов, но и для тонкопленочных датчиков и тонких фотоэлектрических пленок. Недавно Lenis et al.51 изучили потенциал этого метода в области биомедицины путем нанесения биосовместимого и антибактериального покрытия HA-Ag/TiN-Ti, которое широко используется в хирургических протезах. Исследование Wang et al.52 также показывает реализацию этого метода в нанесении тонких пленок триоксида вольфрама из наноструктуры, что имеет важный потенциал применения в области умных окон. В заключение, этот метод представляет собой надежную платформу для осаждения тонких пленок и широкий спектр применений с потенциалом дальнейшего развития.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Авторы выражают признательность за финансовую поддержку исследовательского гранта Университета Кебангсаан Малайзии: UKM-GGPM-2022-069 для проведения данного исследования.

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 -

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), 0-9 (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

Технические науки выпуск 207
Изготовление термоэлектрических тонких пленок Bi<sub>2</sub>Te<sub>3</sub> и Sb<sub>2</sub>Te<sub>3</sub> с использованием метода радиочастотного магнетронного распыления
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ahmad Musri, N., Putthisigamany, Y., … More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter