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Engineering

Herstellung von thermoelektrischen Bi2Te3- und Sb2Te 3-Dünnschichten unter Verwendung der Hochfrequenz-Magnetron-Sputtertechnik

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

Das Manuskript beschreibt ein Protokoll für das Hochfrequenz-Magnetron-Sputtern von thermoelektrischen Bi2Te3 - und Sb2Te3-Dünnschichten auf Glassubstraten, das eine zuverlässige Abscheidungsmethode darstellt, die ein breites Anwendungsspektrum mit dem Potenzial für eine weitere Entwicklung bietet.

Abstract

Durch verschiedene Studien zu thermoelektrischen (TE) Materialien bietet die Dünnschichtkonfiguration überlegene Vorteile gegenüber herkömmlichen Massen-TEs, einschließlich der Anpassungsfähigkeit an gekrümmte und flexible Substrate. Es wurden mehrere verschiedene Dünnschichtabscheidungsmethoden untersucht, aber das Magnetron-Sputtern ist aufgrund seiner hohen Abscheidungseffizienz und Skalierbarkeit immer noch günstig. Daher zielt diese Studie darauf ab, einen Wismuttellurid (Bi2Te3) und Antimontellurid (Sb2Te3) dünnen Film über die Hochfrequenz (RF) Magnetron-Sputtermethode herzustellen. Die dünnen Schichten wurden bei Raumtemperatur auf Kalknatronglassubstraten abgeschieden. Die Substrate wurden zunächst mit Wasser und Seife gewaschen, 10 Minuten lang mit Methanol, Aceton, Ethanol und deionisiertem Wasser ultraschallgereinigt, mit Stickstoffgas und Heizplatte getrocknet und schließlich 10 Minuten lang unter UV-Ozon behandelt, um Rückstände vor dem Beschichtungsprozess zu entfernen. Es wurde ein Sputtertarget aus Bi2Te3 und Sb2Te3 mit Argongas verwendet, und es wurde vor dem Sputtern die Oberfläche des Targets gereinigt. Dann wurden einige saubere Substrate in die Sputterkammer geladen und die Kammer abgesaugt, bis der Druck 2 x 10-5 Torr erreichte. Die dünnen Schichten wurden 60 Minuten lang mit einem Argonfluss von 4 sccm und einer HF-Leistung von 75 W bzw. 30 W für Bi2Te3 und Sb2Te3 abgeschieden. Diese Methode führte zu sehr gleichmäßigen n-Typ-Bi2Te3- und p-Typ Sb2Te 3-Dünnschichten.

Introduction

Thermoelektrische (TE) Materialien haben ein erhebliches Forschungsinteresse hinsichtlich ihrer Fähigkeit geweckt, Wärmeenergie über den Seebeck-Effekt1 in Elektrizität umzuwandeln und über die Peltier-Kühlung2 zu kühlen. Die Umwandlungseffizienz von TE-Material wird durch den Temperaturunterschied zwischen dem heißen Ende des TE-Schenkels und dem kalten Ende bestimmt. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Temperaturdifferenz, desto höher die TE-Gütezahl und desto höher der Wirkungsgrad3. TE arbeitet ohne zusätzliche mechanische Teile, die Gas oder Flüssigkeit in seinen Prozess einbeziehen, wodurch kein Abfall oder Umweltverschmutzung entsteht, was es umweltfreundlich macht und als grünes Energiegewinnungssystem gilt.

Wismuttellurid, Bi2Te3 und seine Legierungen sind nach wie vor die wichtigste Klasse von TE-Materialien. Auch in der thermoelektrischen Energieerzeugung, wie z. B. der Rückgewinnung von Abwärme, werden Bi2Te3-Legierungen aufgrund ihres überlegenen Wirkungsgrads von bis zu 200 °C am häufigstenverwendet 4 und bleiben trotz des zT-Wertes von mehr als 2 in verschiedenen TE-Materialien bei Umgebungstemperatur ein ausgezeichneter TE-Werkstoff5. Mehrere veröffentlichte Arbeiten haben die TE-Eigenschaften dieses Materials untersucht, was zeigt, dass das stöchiometrische Bi2Te3 einen negativen Seebeck-Koeffizientenvon 6,7,8 aufweist, was auf n-Typ-Eigenschaften hinweist. Diese Verbindung kann jedoch durch Legieren mit Antimontellurid (Sb2Te3) bzw. Wismutselenid (Bi2Se3) auf p- und n-Typ eingestellt werden, was ihre Bandlücke vergrößern und bipolare Effekte reduzieren kann9.

Antimontellurid, Sb2Te3 ist ein weiteres etabliertes TE-Material mit hoher Gütezahl bei niedrigen Temperaturen. Während stöchiometrisches Bi2Te3 ein großartiger TE mit n-Typ-Eigenschaften ist, hat Sb2Te3 p-Typ-Eigenschaften. In einigen Fällen hängen die Eigenschaften von TE-Materialien oft von der atomaren Zusammensetzung des Materials ab, wie z. B. dem n-Typ Te-rich Bi2Te3, aber einem p-Typ Bi-richBi 2Te3 aufgrund von Bi Te-Antisite-Akzeptordefekten4. Sb2Te3 ist jedoch aufgrund der vergleichsweise geringen Bildungsenergie von SbTe Antisite-Defekten immer p-Typ, selbst in Te-reichem Sb2Te34. Somit werden diese beiden Materialien zu geeigneten Kandidaten für die Herstellung von p-n-Modulen eines thermoelektrischen Generators für verschiedene Anwendungen.

Die derzeitigen konventionellen TEGs bestehen aus gewürfelten Barren von n-Typ- und p-Typ-Halbleitern, die vertikal in Reihe10 geschaltet sind. Sie wurden aufgrund ihres geringen Wirkungsgrads und ihrer sperrigen, starren Natur nur in Nischenbereichen eingesetzt. Im Laufe der Zeit haben Forscher begonnen, Dünnschichtstrukturen für eine bessere Leistung und Anwendung zu erforschen. Es wird berichtet, dass Dünnschicht-TE Vorteile gegenüber ihrem sperrigen Gegenstück haben, wie z. B. höhere zT aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit11,12, weniger Materialmenge und einfachere Integration in integrierte Schaltkreise12. Infolgedessen ist die Nischenforschung von TE zu thermoelektrischen Dünnschichtbauelementen auf dem Vormarsch und profitiert von den Vorteilen der Nanomaterialstruktur13,14.

Die Mikrofabrikation von Dünnschichten ist wichtig, um Hochleistungsmaterialien von TE zu erhalten. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Abscheidungsansätze erforscht und entwickelt, darunter die chemische Gasphasenabscheidung15, die Atomlagenabscheidung 16,17, die gepulste Laserabscheidung 18,19,20, der Siebdruck 8,21 und die Molekularstrahlepitaxie22. Die meisten dieser Techniken leiden jedoch unter hohen Betriebskosten, komplexen Wachstumsprozessen oder komplizierter Materialvorbereitung. Im Gegensatz dazu ist das Magnetron-Sputtern ein kostengünstiger Ansatz zur Herstellung hochwertiger dünner Schichten, die dichter sind, eine kleinere Korngröße aufweisen, eine bessere Haftung aufweisen und eine hohe Gleichmäßigkeit aufweisen 23,24,25.

Das Magnetron-Sputtern ist eines der plasmabasierten PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition), das in verschiedenen industriellen Anwendungen weit verbreitet ist. Der Sputterprozess funktioniert, wenn eine ausreichende Spannung an ein Target (Kathode) angelegt wird, Ionen aus dem Glimmentladungsplasma das Target bombardieren und nicht nur Sekundärelektronen, sondern auch Atome der Kathodenmaterialien freisetzen, die schließlich auf die Oberfläche des Substrats treffen und zu einem dünnen Film kondensieren. Das Sputterverfahren wurde erstmals in den 1930er Jahren kommerzialisiert und in den 1960er Jahren verbessert und gewann aufgrund seiner Fähigkeit, eine breite Palette von Materialien mit Gleichstrom (DC) und HF-Sputtern abzuscheiden, erhebliches Interesse26,27. Das Magnetron-Sputtern überwindet eine niedrige Abscheidungsrate und eine hohe Substraterwärmung durch die Nutzung eines Magnetfelds. Der starke Magnet schließt die Elektronen im Plasma an oder nahe der Oberfläche des Targets ein und verhindert eine Beschädigung des gebildeten Dünnfilms. Diese Konfiguration bewahrt die Stöchiometrie und die Dickengleichmäßigkeit des abgeschiedenen Dünnfilms28.

Die Herstellung von thermoelektrischen Bi2Te3- und Sb2Te 3-Dünnschichten unter Verwendung des Magnetron-Sputterverfahrens wurde ebenfalls ausgiebig untersucht, wobei Techniken wie Dotierung4, 29, 30 und Glühen31 in die Verfahren integriert wurden, was zu unterschiedlicher Leistung und Qualität führte. Die Studie von Zheng et al.32 verwendet eine thermisch induzierte Diffusionsmethode, um Ag-dotierte Bi- und Te-Schichten zu diffundieren, die separat gesputtert wurden. Diese Methode ermöglicht eine präzise Kontrolle der Zusammensetzung der dünnen Schichten und die Diffusion von Te durch thermische Induktion schützt das Te vor der Verflüchtigung. Die Eigenschaften der dünnen Schichten können auch durch das Vorbeschichtungsverfahren33 vor dem Sputtern verbessert werden, was zu einer besseren elektrischen Leitfähigkeit aufgrund der hohen Ladungsträgerbeweglichkeit führt, wodurch der Leistungsfaktor erhöht wird. Abgesehen davon verbesserte die Studie von Chen et al.34 die thermoelektrische Leistung von gesputtertem Bi2Te3 durch Dotierung von Se über die Diffusionsreaktionsmethode nach der Selenisierung. Während des Prozesses verdampft Se und diffundiert in die Bi-Te-Dünnschichten, um Bi-Te-Se-Filme zu bilden, was zu einem 8-fach höheren Leistungsfaktor führt als undotiertes Bi2Te3.

Dieser Artikel beschreibt unseren experimentellen Aufbau und unser Verfahren für die HF-Magnetron-Sputtertechnik zur Abscheidung von Bi2Te3 und Sb2Te3 Dünnschichten auf Glassubstraten. Das Sputtern wurde in einer Top-Down-Konfiguration durchgeführt, wie im schematischen Diagramm in Abbildung 1 gezeigt, die Kathode wurde in einem Winkel zur Substratnormalen montiert, was zu einem konzentrierteren und konvergenten Plasma zum Substrat führte. Die Schichten wurden systematisch mit Hilfe von FESEM-, EDX-, Hall-Effekt- und Seebeck-Koeffizientenmessungen charakterisiert, um ihre Oberflächenmorphologie, Dicke, Zusammensetzung und thermoelektrischen Eigenschaften zu untersuchen.

Figure 1
Abbildung 1: Ein Schema des Top-Down-Konfigurations-Sputters. Das Diagramm wurde in Übereinstimmung mit der tatsächlichen Sputterkonfiguration, die für diese Studie zur Verfügung stand, einschließlich der Anordnung der zu sputternden Glassubstrate von oben betrachtet, jedoch nicht maßstabsgetreu entworfen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Protocol

1. Vorbereitung des Untergrunds

  1. Wischen Sie die Glassubstrate mit einem fusselfreien Tuch ab, um losen Schmutz oder Ablagerungen zu entfernen. Waschen Sie Glassubstrate mit Wasser und Seife und schrubben Sie Schmutz auf dem Glas mit einer Bürste.
  2. Bereiten Sie alle unten aufgeführten Lösungsmittel in Bechergläsern vor, tauchen Sie die Glassubstrate in das Lösungsmittel und beschallen Sie sie entsprechend bei 37 kHz. Bereiten Sie Methanol bei 80 °C für 10 min vor; Aceton bei 80 °C für 10 min, Ethanol bei 80 °C für 10 min, destilliertes (DI) Wasser bei 80 °C für 20 min.
    ACHTUNG: Behandeln Sie leicht flüchtige Chemikalien in einem Abzug.
  3. Nehmen Sie die Substrate einzeln mit einer Pinzette aus dem Becherglas, legen Sie sie auf eine saubere ebene Fläche, halten Sie das Substrat mit einer Pinzette fest und blasen Sie es mit Stickstoffgas trocken.
  4. Legen Sie die Substrate 5-10 Minuten lang bei 120 °C auf eine heiße Platte, um alle Rückstände zu verdampfen. Untergründe für 10 min in UV-Ozon-Reiniger legen.

2. Sputter-Methode

  1. Vorbereitung der Kammer
    1. Nehmen Sie den Aluminiumschild von der Waffe ab und legen Sie das Zielmaterial in die Mitte der Abdeckung. Schrauben Sie die Abdeckung fest auf den Magnetronhalter und setzen Sie die Aluminiumabschirmung wieder ein. Decken Sie den Körper der Kammer, die Pistolen und den Probenhalter mit Aluminiumfolie ab.
    2. Führen Sie eine Kurzschlussinspektion durch, indem Sie die Sonden eines Multimeters zwischen den Kammerkörpern (kurz), gefolgt vom Kammerkörper und der Pistole (kurz) und schließlich dem Kammerkörper und dem Ziel (offen) berühren. Dieser Test ist notwendig, um sicherzustellen, dass kein Stromverlust zwischen dem Körper (Anode) und dem Ziel (Kathode) auftritt, der die Plasmabildung behindern kann.
  2. Vor-Sputtern
    1. Schließen Sie die Tür und saugen Sie die Kammer für 15 - 30 Minuten ab. Drücken Sie die Tür und den Körper zu Beginn des Staubsaugens zusammen, um sicherzustellen, dass die Tür fest geschlossen ist. Stellen Sie sicher, dass der Messwert des Manometers abnimmt.
    2. Schalten Sie das Kühlsystem ein und stellen Sie es auf 15 °C ein. Schalten Sie die Pumpe und den Kühlknopf ein und öffnen Sie das an das Sputtergerät angeschlossene Ventil.
      HINWEIS: HF-Sputtern funktioniert nicht ohne Kühlsystem. Die Bildung von Plasma wird nicht stattfinden.
    3. Stellen Sie den Argonfluss auf 4 sccm ein und schalten Sie den Gaskippschalter ein. Warten Sie, bis der Durchfluss den eingestellten Wert erreicht.
    4. Stellen Sie die Drehung auf 10 U/min ein und schalten Sie den Rotationskippschalter ein. Drücken Sie die Ein- / Aus-Taste , um den automatisch passenden Netzwerkcontroller und die Hochfrequenz-Stromversorgung einzuschalten.
    5. Stellen Sie auf dem Netzwerkcontroller für die automatische Anpassung Last und Abstimmung auf jeweils 50 W ein, indem Sie die Min/Max-Taste drücken und die Taste von Manuell auf Auto drücken.
    6. Stellen Sie am Hochfrequenznetzteil die HF-Leistung auf 50 W ein und drücken Sie die Starttaste . Stellen Sie den Timer auf 15 Minuten.
    7. Schalten Sie die HF-Leistung und -Drehung aus. Stellen Sie den Argonfluss auf 0 und schalten Sie den Kippschalter aus. Schalten Sie den Staubsauger aus.
      Anmerkungen: Warten Sie, bis der Argonfluss 0,1 sccm erreicht, bevor Sie das Vakuum ausschalten.
    8. Entlüften, um die Kammer zu öffnen. Stellen Sie sicher, dass die Turbomolekularpumpe (TMP) ausgeschaltet ist, bevor Sie sie entlüften. Wenn Sie während des TMP-Betriebs entlüften, wird das System beschädigt.
    9. Öffnen Sie die Kammer und legen Sie die Substrate ein. Platzieren Sie die Substrate an der äußeren Ecke des rotierenden Probenhalters, um eine bessere Abscheidung zu erzielen, wie in Abbildung 1 gezeigt.
      ACHTUNG: Tragen Sie Maske und Handschuh, wenn Sie das Innere der Kammer handhaben, um das Einatmen kleiner Materialpartikel zu vermeiden.
    10. Schließen Sie die Tür wie in Abbildung 2 gezeigt und saugen Sie sie mindestens 6 Stunden lang. Ein niedrigerer Basisdruck sorgt für eine bessere Abscheidung. Der optimale Basisdruck für ein Hochvakuumsystem wie z.B. Sputterverfahren beträgt 1 x 10-5 Torr.
  3. Sputtern
    1. Schalten Sie das Kühlsystem ein und stellen Sie es auf 15 °C ein. Schalten Sie die Pumpe und den Kühlknopf ein und öffnen Sie das an das Sputtergerät angeschlossene Ventil.
    2. Stellen Sie die Drehung auf 10 U/min ein und schalten Sie den Rotationskippschalter ein. Stellen Sie den Argonfluss auf 4 sccm ein und schalten Sie den Gaskippschalter ein. Warten Sie, bis der Durchfluss den eingestellten Wert erreicht.
    3. Drücken Sie die Ein- / Aus-Taste , um den automatisch passenden Netzwerkcontroller und die Hochfrequenz-Stromversorgung einzuschalten.
    4. Stellen Sie auf dem Netzwerkcontroller für die automatische Anpassung Last und Abstimmung auf jeweils 50 W ein, indem Sie die Min/Max-Taste drücken und die Taste von Manuell auf Auto drücken.
    5. Stellen Sie am Hochfrequenznetzteil die HF-Leistung auf 50 W ein und drücken Sie die Starttaste .
      Anmerkungen: Warten Sie, bis der Argonfluss den eingestellten Wert erreicht hat und stabil wird, bevor Sie die HF-Stromversorgung einschalten.
    6. Überprüfen Sie, ob Plasma in der Kammer vorhanden ist. Die Bildung von Plasma wird durch ein leuchtendes violettes Licht in der Kammer angezeigt. Wenn das Plasma nach dem Einschalten der HF-Stromversorgung nicht vorhanden ist, schalten Sie Argon für 10 s aus und wieder ein. Wiederholen Sie den Vorgang, bis sich Plasma in der Kammer bildet.
    7. Erhöhen Sie die HF-Leistung schrittweise um 5 W pro 10 s Intervall, bis sie 75 W erreicht. Stellen Sie den Timer auf 60 min.
  4. Nach dem Sputtern
    1. Schalten Sie die HF-Leistung und -Drehung aus. Schalten Sie den automatisch passenden Netzwerkcontroller und die Hochfrequenzstromversorgung aus.
    2. Stellen Sie den Argonfluss auf 0 und schalten Sie den Gaskippschalter aus. Schalten Sie den Staubsauger aus.
      Anmerkungen: Warten Sie, bis der Argonfluss 0,1 sccm erreicht, bevor Sie das Vakuum ausschalten.
    3. Entlüften, um die Kammer zu öffnen. Stellen Sie sicher, dass das TMP vor dem Entlüften ausgeschaltet ist. Wenn Sie während des TMP-Betriebs entlüften, wird das System beschädigt.
    4. Nehmen Sie alle Proben mit einer Pinzette heraus und geben Sie sie in eine saubere Petrischale.
      ACHTUNG: Tragen Sie Maske und Handschuh, wenn Sie das Innere der Kammer handhaben, um das Einatmen kleiner Materialpartikel zu vermeiden.
    5. Reinigen Sie die Kammer und saugen Sie sie 10 - 15 Minuten lang, um die Kammer unter Vakuumbedingungen (frei von Verunreinigungen) zu halten.

Figure 2
Abbildung 2: Versuchsaufbau. Foto der in dieser Studie verwendeten Sputtermaschine. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

3. Charakterisierung

  1. Führen Sie topographische und Querschnittsscans mit dem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FESEM, unter 3,0 kV Betriebsspannung) durch, um die mikrostrukturellen Oberflächendetails und die Dicke der gesputterten Schichten zu erhalten.
  2. Berechnung der Zusammensetzung der Filme unter Verwendung der Daten der energiedispersiven Röntgenspektren (EDX), die mit dem FESEM verbunden sind. Messen Sie die Hall-Spannung in einem permanenten Magnetfeld von 0,57 T und Sondenströme von 0,8 mA bzw. 10 mA für Sb2Te3 und Bi2Te3, um die Trägerkonzentration und Leitfähigkeit der Schichten35 zu erhalten.
  3. Führen Sie eine Messung des Seebeck-Koeffizienten in der Ebene mit einem ähnlichen Instrument durch, das von Isotta et al.5 verwendet wird. Montieren Sie Proben mit einer rechteckigen Geometrie von ca. 2 cm x 1,25 cm auf dem Aufbau. Messen Sie den absoluten Seebeck-Koeffizienten in 2-Kontakt-Konfiguration gegen einen Pt-Standard mit einem Temperaturgradienten von ≈25 °C.

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Representative Results

Mikroskopische Querschnittsaufnahmen von abgeschiedenen Bi2Te3- und Sb2Te 3-Dünnschichten wurden mit FESEM aufgenommen, wie in Abbildung 3A bzw. Abbildung 3B dargestellt. Die Oberfläche der Gesamtfolie wirkt gleichmäßig und glatt. Es ist offensichtlich, dass die Kristallkörner des Bi2Te3 Dünnfilms hexagonal waren und der Kristallstruktur von Bi2Te3 entsprachen, während die Kristallkörner des Sb2Te3 Dünnfilms aus feinen kreisförmigen Körnern bestanden, ähnlich wie von Amirghasemi et al.berichtet 36. Die Querschnittsbilder beider Proben zeigen dicht gepackte Partikel, die auf dem Substrat wachsen. Die Schichten hatten eine gleichmäßige Dicke von etwa 1,429 ± 0,01 μm bzw. 0,424 ± 0,01 μm für Bi2Te3 bzw. Sb2Te3 Dünnschichten. Die Zusammensetzung der Filme wurde aus den EDX-Spektren in Ergänzungsdatei 1 und Ergänzungsdatei 2 berechnet, und die Werte sind in Tabelle 1 tabellarisch dargestellt. Die Schätzwerte zeigen, dass beide dünnen Schichten stöchiometrische Verhältnisse aufweisen.

Die Ladungsträgerkonzentration und die Leitfähigkeit der abgeschiedenen Dünnschichten wurden bei Umgebungstemperatur bestimmt, während der absolute Seebeck-Koeffizient bei einer Temperatur von etwa 50 °C gemessen wurde. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Die Bi2Te3-Dünnschicht zeigt negative absolute Seebeck-Koeffizienten- und Trägerkonzentrationswerte, die bestätigen, dass die Folie vom n-Typ war, und die Sb2Te3-Folie zeigt positive Werte sowohl für den absoluten Seebeck-Koeffizienten als auch für die Trägerkonzentration, die ihre p-Typ-Leitfähigkeit bestätigen.

Figure 3
Abbildung 3: FESEM-Querschnittsbilder. (A) Querschnittsbild von Bi2Te3 mit der Schichtdicke. (B) Querschnittsbild von Sb2Te3 mit der Schichtdicke. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Ziel HF-Leistung, (W) Absoluter Seebeck-Koeffizient, S (μV/K) Trägerkonzentration, Nb (cm-3) Leitfähigkeit, σ (Ω/cm)
Bi2Te3 75 -72.84 -5,71 x 1020 cm 108.96
Sb2Te3 30 238.83 1,44 x 1021 cm 6.05

Tabelle 1: Analyse der EDX-Zusammensetzung. Die Tabelle besteht aus dem Gewichtsprozentsatz, der aus den EDX-Spektren gewonnen wurde, dem berechneten Atomprozentsatz jedes Elements, dem Zusammensetzungsverhältnis, der Dicke und der Abscheidungsrate der Bi2Te3 - und Sb2Te3-Proben .

Probe Gewichtsprozentsatz (%) Atomar Prozent (± 0,5 %) Atomverhältnis Dicke (± 0,01 μm) Abscheiderate (nm/min)
Bi2Te3 (Bi) 51,0 (Te) 42,8 (Bi) 41,9 (Te) 58,1 [Bi]:[Te] 2:3 1.429 23.8
Sb2Te3 (jdm) 39,6 (Te) 59,7 (jdm) 40,0 (Te) 60,0 [Sb]:[Te] 2:3 0.424 7.0

Tabelle 2: Thermoelektrische Eigenschaften von mikrofabrizierten Dünnschichten. Die Tabelle besteht aus den Zielmaterialien, den verwendeten HF-Leistungen, den absoluten Seebeck-Koeffizienten, den Hall-Koeffizienten und den Leitfähigkeitswerten der Bi2Te3 - und Sb2Te3-Proben .

Ergänzende Datei 1: Planares FESEM- und EDX-Spektrum von Bi2Te3 mit Gewichtsprozent jedes Elements. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Datei 2: Planares FESEM- und EDX-Spektrum von Sb2Te3 mit Gewichtsprozent jedes Elements. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

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Discussion

Die in diesem Artikel vorgestellte Technik stellt keine nennenswerten Schwierigkeiten bei der Einrichtung der Ausrüstung und der Implementierung dar. Es müssen jedoch einige kritische Schritte hervorgehoben werden. Wie in Schritt 2.2.10 des Protokolls erwähnt, ist ein optimaler Vakuumzustand der Schlüssel zur Herstellung hochwertiger dünner Schichten mit geringerer Kontamination, da das Vakuum den Restsauerstoff in der Kammer37 entfernt. Das Vorhandensein von Sauerstoff kann Risse in den Schichten verursachen, die als Spannungsrisse bezeichnet werden, was auf die Bedeutung des Hochvakuumsystems im Sputterprozess38 hinweist. Dies reduziert auch Kollisionen mit Restgasmolekülen bei der Bewegung von Atomen39 vom Target zum Substrat, wodurch sehr gleichmäßige dünne Schichten erzeugt werden. Darüber hinaus ist Schritt 2.2.2 im Protokoll wichtig, um ein kontinuierliches Sputtern zu gewährleisten, indem Wärme durch Wärmeübertragung mit Wasser aus dem Kühlsystem abgeführt wird. Bei dieser Methode werden Hochspannung und elektrischer Strom verwendet, die sich letztendlich als Zielerwärmung manifestieren. Eine schlechte Wärmeableitung kann zu einer Überhitzung über die Curie-Temperatur hinaus führen, was zum Ausfall des gesamten Sputterprozessesführt 40. Darüber hinaus wird empfohlen, die HF-Leistung während des Sputterns schrittweise um 5 W alle 10 s-Intervalle zu erhöhen, bis die gewünschte Leistung erreicht ist, bevor der Timer gestartet wird. Dieser Schritt ist wichtig, um Risse am Ziel aufgrund von Temperaturschocks zu vermeiden, wenn in sehr kurzer Zeit zu viel Strom zugeführt wird41.

Das Sputtern wird hauptsächlich von seinen Parametern beeinflusst, einschließlich Sputterleistung, Abscheidungszeit, Arbeitsdruck, Substrattemperatur und Abstand zwischen Ziel und Substrat 42,43,44,45. Die Sputterleistung beeinflusst die Abscheidungsrate und die Dicke der Schicht. Eine Erhöhung der Spannung bewirkt eine höhere Abscheidungsrate, folglich erhöht sich die Dicke der Folie44. Eine Studie von Sahu et al.46 zeigt eine Variation der Abscheidungsrate, die sich aus dem Co-Sputter-Prozess von Ni und Zr ergibt, wobei unterschiedliche Gleichleistungen an das Zr-Ziel angelegt werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Abscheidungsrate der Ni-Zr-Schichten mit zunehmender Gleichstromversorgung für Zr zunimmt. Ihre spätere Studie47 untersuchte den Einfluss einer negativen Substratvorspannung auf die Abscheidungsrate. Das Ergebnis zeigt, dass die Abscheidungsrate mit zunehmender Substratvorspannung allmählich abnimmt. Dieses Phänomen ist auch in den Ergebnissen dieser Studie zu sehen, bei denen Bi2Te3 mit 75 W gesputterte Schichten dickere Schichten erzeugt als Sb2Te3, das mit viel geringerer HF-Leistung zur gleichen Abscheidungszeit gesputtert wurde. Beide Filme wurden jedoch erfolgreich abgeschieden, was darauf hindeutet, dass die HF-Leistung die Schwellenspannung jedes Ziels überschreitet und je nach gewünschter Dicke in anderen Studien verwendet werden kann.

Laut Protokoll erfordert diese Methode kein Schmelzen und Verdampfen des Zielmaterials. Dies führt dazu, dass nahezu alle Materialien unabhängig von ihrer Schmelztemperatur abgeschieden werden können, was sie anderen PVD-Technologien überlegen macht. Das in dieser Studie verwendete HF-Sputtern ist auch in Bezug auf die Stabilität vorteilhafter als das DC-Sputtern. Eine Studie von Yaqub et al.48 zeigt, dass die Ladungsakkumulation auf der Oberfläche des Targets Plasmainstabilitäten verursacht, die den DC-Sputterprozess behindern. Im Gegensatz dazu neigt HF-Sputterplasma dazu, in der gesamten Kammer zu entschärfen, anstatt sich auf das Zielmaterial zu konzentrieren, was zu einer besseren Stabilität während der Abscheidung führt. Abgesehen davon verhindert das HF-Sputtern den Ladungsaufbau, wodurch Lichtbögen auf der Zieloberfläche reduziert werden, was zu besseren Filmen führt als das DC-Sputtern49.

Trotz verschiedener attraktiver Vorteile erfordert das HF-Sputtern eine deutlich höhere Spannung im Vergleich zum DC-Sputtern mit niedrigeren Abscheidungsraten48. Es ist auch der Gefahr einer Überhitzung aufgrund von Hochspannung ausgesetzt, die eine fortschrittliche Schaltung und ein zusätzliches Kühlsystem erfordert, wie in Schritt 2.2.2 des Protokolls angegeben. Abgesehen davon hielt das HF-Sputtern das Plasma durch den Wechselstrom bei viel niedrigerem Druck aufrecht, doch das Fehlen eines sekundären Ziels führt zu einer langsameren Abscheidungsrate. Dieses Problem kann durch Hinzufügen einer Sekundärentladung zwischen dem Target und dem Substrat gemildert werden, um den Ionisationsanteil der gesputterten Spezies24 zu erhöhen. All diese Faktoren tragen jedoch zu höheren Kosten bei, die dazu führen, dass HF-Sputtern nur in kleinerem Maßstab und auf kleineren Substraten verwendet wird.

Das Magnetron-Sputtern ist das Herzstück der Halbleiterindustrie, in der die Herstellung von hochisolierenden Oxidschichten (Barriereschicht), leitenden Schichten und Metallgittern für die Herstellung integrierter Schaltkreise von Bedeutung ist. Es wurden verschiedene Entwicklungen durchgeführt, die für energiebezogene Anwendungen wie die Energieumwandlung50 bestimmt sind, wodurch die Implementierung der vorgestellten Technik nicht nur für thermoelektrische Materialien, sondern auch für Dünnschichtsensoren und photovoltaische Dünnschichten erweitert wurde. Kürzlich untersuchten Lenis et al.51 das Potenzial dieser Technik im biomedizinischen Bereich, indem sie die biokompatible und antibakterielle Beschichtung von HA-Ag/TiN-Ti abscheideten, die in chirurgischen Prothesen weit verbreitet ist. Die Studie von Wang et al.52 zeigt auch die Implementierung dieser Technik bei der Abscheidung von Wolframtrioxid-Dünnschichten mit Nanostruktur, die ein wichtiges Anwendungspotenzial im Bereich intelligenter Fenster hat. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Methode eine robuste Plattform für die Dünnschichtabscheidung und ein breites Anwendungsspektrum mit dem Potenzial zur Weiterentwicklung darstellt.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Acknowledgments

Die Autoren möchten sich für die finanzielle Unterstützung durch das Forschungsstipendium der Universiti Kebangsaan Malaysia bedanken: UKM-GGPM-2022-069 für die Durchführung dieser Forschung.

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

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Engineering Ausgabe 207
Herstellung von thermoelektrischen Bi<sub>2</sub>Te<sub>3</sub>- und Sb<sub>2</sub>Te 3-Dünnschichten unter Verwendung<sub></sub> der Hochfrequenz-Magnetron-Sputtertechnik
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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).

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