Waiting
Login-Verarbeitung ...

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

Engineering

تصنيع الأغشية الرقيقة الكهروحرارية Bi2Te3 و Sb2Te3 باستخدام تقنية الاخرق المغنطرون بتردد الراديو

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

تصف المخطوطة بروتوكولا لرش المغنطرون بالترددات الراديوية للأغشية الرقيقة الكهروحرارية Bi2Te3 و Sb2Te3 على ركائز زجاجية ، والتي تمثل طريقة ترسيب موثوقة توفر مجموعة واسعة من التطبيقات مع إمكانية لمزيد من التطوير.

Abstract

من خلال الدراسات المختلفة على المواد الكهروحرارية (TE) ، يوفر تكوين الأغشية الرقيقة مزايا فائقة على TEs السائبة التقليدية ، بما في ذلك القدرة على التكيف مع الركائز المنحنية والمرنة. تم استكشاف العديد من طرق ترسيب الأغشية الرقيقة المختلفة ، ومع ذلك لا يزال رش المغنطرون مواتيا نظرا لكفاءة الترسيب العالية وقابلية التوسع. لذلك ، تهدف هذه الدراسة إلى تصنيع طبقة رقيقة من تيلوريد البزموت (Bi2Te3) وتيلوريد الأنتيمون (Sb2Te3) عبر طريقة رش المغنطرون بالتردد اللاسلكي (RF). تم ترسيب الأغشية الرقيقة على ركائز زجاج الجير الصودا في درجة الحرارة المحيطة. تم غسل الركائز أولا باستخدام الماء والصابون ، وتنظيفها بالموجات فوق الصوتية بالميثانول والأسيتون والإيثانول والماء منزوع الأيونات لمدة 10 دقائق ، وتجفيفها بغاز النيتروجين والصفيحة الساخنة ، وأخيرا معالجتها تحت الأوزون فوق البنفسجي لمدة 10 دقائق لإزالة المخلفات قبل عملية الطلاء. تم استخدام هدف رش Bi2Te3 و Sb2Te3 مع غاز الأرجون ، وتم إجراء الاخرق المسبق لتنظيف سطح الهدف. بعد ذلك ، تم تحميل عدد قليل من الركائز النظيفة في غرفة الاخرق ، وتم تفريغ الغرفة حتى وصل الضغط إلى 2 × 10-5 Torr. تم ترسيب الأغشية الرقيقة لمدة 60 دقيقة مع تدفق الأرجون من 4 sccm وطاقة التردد اللاسلكي عند 75 W و 30 W ل Bi2Te3 و Sb2Te3 ، على التوالي. نتج عن هذه الطريقة أغشية رقيقة من النوع n من النوع Bi2Te3 و p-type Sb2Te3 .

Introduction

تجذب المواد الكهروحرارية (TE) قدرا كبيرا من الاهتمام البحثي فيما يتعلق بقدرتها على تحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء عبر تأثير Seebeck1 والتبريد عبر تبريد بلتيير2. يتم تحديد كفاءة تحويل مادة TE من خلال فرق درجة الحرارة بين الطرف الساخن لساق TE والطرف البارد. بشكل عام ، كلما زاد الفرق في درجة الحرارة ، ارتفع رقم الجدارة TE وزادت كفاءته3. تعمل الشركة المصرية للاتصالات دون الحاجة إلى أجزاء ميكانيكية إضافية تحتوي على الغاز أو السائل في عملياتها، ولا تنتج أي نفايات أو تلوث، مما يجعلها آمنة بيئيا وتعتبر نظاما لحصاد الطاقة الخضراء.

يظل تيلورايد البزموت ، Bi2Te3 ، وسبائكه أهم فئة من مواد TE. حتى في توليد الطاقة الكهروحرارية ، مثل استعادة الحرارة المهدرة ، يتم استخدام سبائك Bi2Te3 بشكل شائع نظرا لكفاءتها الفائقة حتى 200 °C4 وتظل مادة TE ممتازة في درجة الحرارة المحيطة على الرغم من قيمة zT لأكثر من 2 في مواد TE المختلفة5. درست العديد من الأوراق المنشورة خصائص TE لهذه المادة ، مما يدل على أن القياس المتكافئ Bi2Te3 له معامل Seebeck سلبي6،7،8 ، مما يشير إلى خصائص النوع n. ومع ذلك ، يمكن تعديل هذا المركب إلى النوع p و n عن طريق صناعة السبائك مع تيلورايد الأنتيمون (Sb2Te3) وسيلينيد البزموت (Bi2Se3) ، على التوالي ، مما يمكن أن يزيد من فجوة النطاق وتقليل التأثيرات ثنائية القطب9.

تيلورايد الأنتيمون ، Sb2Te3 هي مادة TE أخرى راسخة ذات شخصية عالية من الجدارة في درجة حرارة منخفضة. في حين أن القياس المتكافئ Bi2Te3 هو TE رائع مع خصائص من النوع n ، فإن Sb2Te3 له خصائص من النوع p. في بعض الحالات ، غالبا ما تعتمد خصائص مواد TE على التركيب الذري للمادة مثل النوع n Te-rich Bi2Te3 ، ولكن النوع p Bi-rich Bi2Te3 بسبب عيوب متقبل BiTe antisite 4. ومع ذلك ، فإن Sb2Te3 دائما من النوع p بسبب طاقة التكوين المنخفضة نسبيا لعيوب SbTe المضادة للموقع ، حتى في Sb2Te34 الغنية ب Te. وبالتالي ، تصبح هاتان المادتان مرشحتين مناسبتين لتصنيع وحدة p-n من المولد الكهروحراري لمختلف التطبيقات.

تصنع TEGs التقليدية الحالية من سبائك مكعبات من أشباه الموصلات من النوع n والنوع p المتصلة رأسيا في السلسلة10. لقد تم استخدامها فقط في المجالات المتخصصة نظرا لكفاءتها المنخفضة وطبيعتها الضخمة والصلبة. بمرور الوقت ، بدأ الباحثون في استكشاف هياكل الأغشية الرقيقة لتحسين الأداء والتطبيق. يذكر أن TE للأغشية الرقيقة مزايا على نظيرتها الضخمة مثل zT العالي بسبب الموصلية الحرارية المنخفضة11,12 ، وكمية أقل من المواد وتكامل أسهل مع الدائرة المتكاملة12. نتيجة لذلك ، كانت أبحاث TE المتخصصة على الأجهزة الكهروحرارية ذات الأغشية الرقيقة في ازدياد مستفيدة من مزايا بنية المواد النانوية13,14.

التصنيع الدقيق للأغشية الرقيقة مهم لتحقيق مواد TE عالية الأداء. تم بحث وتطوير طرق الترسيب المختلفة بما في ذلك ترسيب البخار الكيميائي15 ، ترسيب الطبقة الذرية16،17 ، ترسيب الليزر النبضي18،19،20 ، طباعة الشاشة8،21 ، و epitaxy الحزمة الجزيئية22 لخدمة هذا الغرض. ومع ذلك ، فإن غالبية هذه التقنيات تعاني من ارتفاع تكلفة التشغيل أو عملية النمو المعقدة أو إعداد المواد المعقدة. على العكس من ذلك ، فإن رش المغنطرون هو نهج فعال من حيث التكلفة لإنتاج أغشية رقيقة عالية الجودة أكثر كثافة ، وتظهر حجم حبيبات أصغر ، ولها التصاق أفضل ، وتوحيد عالي23،24،25.

يعد رش المغنطرون أحد عمليات ترسيب البخار الفيزيائي القائم على البلازما (PVD) والذي يستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية المختلفة. تعمل عملية الاخرق عندما يتم تطبيق جهد كاف على هدف (الكاثود) ، وتقصف الأيونات من بلازما التفريغ المتوهج الهدف وتطلق ليس فقط الإلكترونات الثانوية ، ولكن أيضا ذرات مواد الكاثود التي تؤثر في النهاية على سطح الركيزة وتتكثف كغشاء رقيق. تم تسويق عملية الاخرق لأول مرة في ثلاثينيات القرن العشرين وتحسنت في ستينيات القرن العشرين ، واكتسبت اهتماما كبيرا بسبب قدرتها على إيداع مجموعة واسعة من المواد باستخدام التيار المباشر (DC) والاخرق RF26,27. يتغلب رش المغنطرون على معدل الترسيب المنخفض وتأثير تسخين الركيزة العالي من خلال استخدام المجال المغناطيسي. يحصر المغناطيس القوي الإلكترونات في البلازما عند سطح الهدف أو بالقرب منه ويمنع تلف الغشاء الرقيق المتكون. يحافظ هذا التكوين على القياس الكيميائي وتوحيد سمك الغشاء الرقيقالمترسب 28.

كما تمت دراسة تحضير الأغشية الرقيقة الكهروحرارية Bi2Te3 و Sb2Te3 باستخدام طريقة الاخرق المغنطرون على نطاق واسع ، مع دمج تقنية مثل المنشطات4،29،30 والتلدين31 في الإجراءات ، مما يؤدي إلى أداء وجودة مختلفة. تستخدم الدراسة التي أجراها Zheng et al.32 طريقة الانتشار المستحث حراريا لنشر طبقة Bi و Te المخدرة Ag والتي تم رشها بشكل منفصل. تتيح هذه الطريقة التحكم الدقيق في تكوين الأغشية الرقيقة وانتشار Te عن طريق الحث الحراري يحمي Te من التطاير. يمكن أيضا تحسين خصائص الأغشية الرقيقة من خلال عملية الطلاء المسبق33 قبل الاخرق مما يؤدي إلى توصيل كهربائي أفضل بسبب حركة الناقل العالية ، وبالتالي تعزيز عامل القدرة. بخلاف ذلك ، حسنت الدراسة التي أجراها Chen et al.34 الأداء الكهروحراري ل Bi2Te3 عن طريق تعاطي المنشطات Se عبر طريقة تفاعل الانتشار بعد السيلين. أثناء العملية ، يتبخر Se وينتشر في أغشية Bi-Te الرقيقة لتشكيل أفلام Bi-Te-Se ، مما ينتج عنه عامل طاقة أعلى بمقدار 8 أضعاف من Bi2Te3 غير المضبوط.

تصف هذه الورقة إعدادنا التجريبي وإجراءاتنا لتقنية الاخرق المغنطرون RF لإيداع الأغشية الرقيقة Bi2Te3 و Sb2Te3 على ركائز زجاجية. تم إجراء الاخرق في تكوين من أعلى إلى أسفل كما هو موضح في الرسم التخطيطي في الشكل 1 ، تم تركيب الكاثود بزاوية مع الركيزة العادية ، مما أدى إلى بلازما أكثر تركيزا وتقاربا مع الركيزة. تم توصيف الأفلام بشكل منهجي باستخدام قياس FESEM و EDX وتأثير Hall ومعامل Seebeck لدراسة مورفولوجيا سطحها وسمكها وتكوينها وخصائصها الكهروحرارية.

Figure 1
الشكل 1: رسم تخطيطي لرش التكوين من أعلى إلى أسفل. تم تصميم الرسم البياني وفقا ، ولكن ليس للمقياس ، لتكوين الاخرق الفعلي المتاح لهذه الدراسة بما في ذلك ترتيب الركائز الزجاجية المراد رشها من الأعلى. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. إعداد الركيزة

  1. امسح الركائز الزجاجية بقطعة قماش خالية من النسالة لإزالة الأوساخ أو الحطام السائب. اغسل ركائز الزجاج بالماء والصابون ، واستخدم الفرشاة لتنظيف أي أوساخ على الزجاج.
  2. تحضير جميع المذيبات المذكورة أدناه في أكواب ، وغمر الركائز الزجاجية في المذيب وصوتنة وفقا لذلك عند 37 كيلو هرتز. تحضير الميثانول عند 80 درجة مئوية لمدة 10 دقائق ؛ الأسيتون عند 80 درجة مئوية لمدة 10 دقائق ، والإيثانول عند 80 درجة مئوية لمدة 10 دقائق ، والماء المقطر (DI) عند 80 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة.
    تنبيه: تعامل مع المواد الكيميائية شديدة التقلب في غطاء الدخان.
  3. أخرج الركائز من الدورق واحدة تلو الأخرى باستخدام ملقط ، وضعها على سطح مستو نظيف ، امسك الركيزة بملقط وانفخها بغاز النيتروجين حتى تجف.
  4. ضع ركائز على طبق ساخن عند 120 درجة مئوية لمدة 5-10 دقائق لتبخير أي بقايا. ضع الركائز في منظف الأوزون فوق البنفسجي لمدة 10 دقائق.

2. طريقة الاخرق

  1. إعداد الغرفة
    1. خلع درع الألومنيوم من البندقية ووضع المواد المستهدفة في وسط الغطاء. قم بربط الغطاء بإحكام على حامل المغنطرون وأعد درع الألومنيوم. قم بتغطية جسم الغرفة والبنادق وحامل العينة بورق الألمنيوم.
    2. قم بتشغيل فحص ماس كهربائى عن طريق لمس مجسات المتر المتعدد بين أجسام الغرفة (قصيرة) ، متبوعة بجسم الغرفة والبندقية (قصيرة) ، وأخيرا جسم الغرفة والهدف (مفتوح). هذا الاختبار ضروري لضمان عدم وجود تسرب حالي بين الجسم (الأنود) والهدف (الكاثود) ، والذي يمكن أن يعيق تكوين البلازما.
  2. قبل الاخرق
    1. أغلق الباب وقم بتفريغ الغرفة لمدة 15 - 30 دقيقة. اضغط على الباب والجسم معا في بداية التنظيف بالمكنسة الكهربائية للتأكد من إغلاق الباب بإحكام. تأكد من أن قراءة مقياس الضغط تتناقص.
    2. قم بتشغيل نظام التبريد واضبطه على 15 درجة مئوية. قم بتشغيل المضخة وزر التبريد ، وافتح الصمام المتصل بأداة الاخرق.
      ملاحظة: لا يعمل الاخرق RF بدون نظام تبريد. تشكيل البلازما لن يحدث.
    3. اضبط تدفق الأرجون على 4 sccm وقم بتشغيل مفتاح تبديل الغاز. انتظر حتى يصل التدفق إلى القيمة المحددة.
    4. اضبط الدوران على 10 دورات في الدقيقة وقم بتشغيل مفتاح تبديل الدوران. اضغط على زر الطاقة لتشغيل وحدة تحكم الشبكة المطابقة التلقائية ومصدر طاقة التردد اللاسلكي.
    5. في وحدة التحكم في الشبكة المطابقة التلقائية ، اضبط الحمل واضبطه على 50 واط لكل منهما عن طريق الضغط على زر الحد الأدنى / الحد الأقصى والضغط على الزر من يدوي إلى تلقائي.
    6. على مصدر طاقة التردد اللاسلكي ، اضبط طاقة التردد اللاسلكي على 50 وات واضغط على زر البدء . اضبط المؤقت على 15 دقيقة.
    7. قم بإيقاف تشغيل طاقة التردد اللاسلكي والدوران. اضبط تدفق الأرجون على 0 وقم بإيقاف تشغيل مفتاح التبديل. قم بإيقاف تشغيل الفراغ.
      ملاحظة: انتظر حتى يصل تدفق الأرجون إلى 0.1 sccm قبل إيقاف تشغيل الفراغ.
    8. تنفيس لفتح الغرفة. تأكد من إيقاف تشغيل المضخة الجزيئية التوربينية (TMP) قبل التنفيس. سيؤدي التنفيس أثناء تشغيل TMP إلى إتلاف النظام.
    9. افتح الغرفة وقم بتحميل ركائز. ضع الركائز في الزاوية الخارجية لحامل العينة الدوار لترسيب أفضل كما هو موضح في الشكل 1.
      تنبيه: ارتد قناعا وقفازا عند التعامل مع الجزء الداخلي من الحجرة لتجنب استنشاق جزيئات صغيرة من المواد.
    10. أغلق الباب كما هو موضح في الشكل 2 وقم بالمكنسة الكهربائية لمدة 6 ساعات على الأقل. انخفاض الضغط الأساسي يعطي ترسب أفضل. الضغط الأساسي الأمثل لنظام تفريغ عالي مثل عملية الاخرق هو 1 × 10-5 Torr.
  3. الاخرق
    1. قم بتشغيل نظام التبريد واضبطه على 15 درجة مئوية. قم بتشغيل المضخة وزر التبريد ، وافتح الصمام المتصل بأداة الاخرق.
    2. اضبط الدوران على 10 دورات في الدقيقة وقم بتشغيل مفتاح تبديل الدوران. اضبط تدفق الأرجون على 4 sccm وقم بتشغيل مفتاح تبديل الغاز. انتظر حتى يصل التدفق إلى القيمة المحددة.
    3. اضغط على زر الطاقة لتشغيل وحدة تحكم الشبكة المطابقة التلقائية ومصدر طاقة التردد اللاسلكي.
    4. في وحدة التحكم في الشبكة المطابقة التلقائية ، اضبط الحمل واضبطه على 50 واط لكل منهما عن طريق الضغط على زر الحد الأدنى / الحد الأقصى والضغط على الزر من يدوي إلى تلقائي.
    5. على مصدر طاقة التردد اللاسلكي ، اضبط طاقة التردد اللاسلكي على 50 وات واضغط على زر البدء .
      ملاحظة: انتظر حتى يصل تدفق الأرجون إلى القيمة المحددة ويصبح مستقرا قبل تشغيل طاقة التردد اللاسلكي.
    6. تحقق من وجود البلازما في الغرفة. يشار إلى تكوين البلازما بضوء أرجواني متوهج في الغرفة. إذا لم تكن البلازما موجودة بمجرد تشغيل طاقة التردد اللاسلكي ، فقم بإيقاف تشغيل الأرجون لمدة 10 ثوان ، ثم أعد تشغيله. كرر حتى تتشكل البلازما في الغرفة.
    7. قم بزيادة طاقة التردد اللاسلكي تدريجيا بفاصل 5 واط لكل 10 ثوان حتى تصل إلى 75 وات. اضبط المؤقت على 60 دقيقة.
  4. ما بعد الاخرق
    1. قم بإيقاف تشغيل طاقة التردد اللاسلكي والدوران. قم بإيقاف تشغيل وحدة التحكم في الشبكة المطابقة التلقائية ومصدر طاقة التردد اللاسلكي.
    2. اضبط تدفق الأرجون على 0 وقم بإيقاف تشغيل مفتاح تبديل الغاز. قم بإيقاف تشغيل الفراغ.
      ملاحظة: انتظر حتى يصل تدفق الأرجون إلى 0.1 sccm قبل إيقاف تشغيل الفراغ.
    3. تنفيس لفتح الغرفة. تأكد من إيقاف تشغيل TMP قبل التنفيس. سيؤدي التنفيس أثناء تشغيل TMP إلى إتلاف النظام.
    4. أخرج جميع العينات باستخدام الملقط وضعها في طبق بتري نظيف.
      تنبيه: ارتد قناعا وقفازا عند التعامل مع الجزء الداخلي من الحجرة لتجنب استنشاق جزيئات صغيرة من المواد.
    5. نظف الحجرة ونظف بالمكنسة الكهربائية لمدة 10 - 15 دقيقة للحفاظ على الحجرة تحت حالة فراغ (خالية من الشوائب).

Figure 2
الشكل 2: الإعداد التجريبي. صورة لآلة الاخرق المستخدمة في هذه الدراسة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

3. التوصيف

  1. قم بإجراء المسح الطبوغرافي والمستعرض باستخدام المجهر الإلكتروني لمسح الانبعاثات الميدانية (FESEM ، أقل من جهد تشغيل 3.0 كيلو فولت) للحصول على تفاصيل البنية المجهرية للسطح وسمك الأغشية المتناثرة.
  2. إجراء حساب على تكوين الأفلام باستخدام بيانات أطياف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) ، المرفقة مع FESEM. قياس جهد هول في مجال مغناطيسي دائم يبلغ 0.57 T وتيارات مسبار تبلغ 0.8 مللي أمبير و 10 مللي أمبير ل Sb2Te3 و Bi2Te3 ، على التوالي للحصول على تركيز الموجة الحاملة والتوصيل للأفلام35.
  3. إجراء قياس داخل المستوى لمعامل Seebeck باستخدام أداة مماثلة يستخدمها Isotta et al.5. قم بتركيب عينات بهندسة مستطيلة تبلغ حوالي 2 سم × 1.25 سم على الإعداد. قم بقياس معامل Seebeck المطلق في تكوين 2-contact مقابل معيار Pt ، مع تدرج درجة حرارة ≈25 درجة مئوية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تم تسجيل الصور المجهرية المقطعية للأغشية الرقيقة Bi2Te3 و Sb2Te3 باستخدام FESEM كما هو موضح في الشكل 3A والشكل 3B ، على التوالي. يبدو سطح الفيلم الكلي موحدا وسلسا. من الواضح أن الحبيبات البلورية للأغشية الرقيقة Bi2Te3 كانت سداسية الشكل ، وتتوافق مع البنية البلورية ل Bi2Te3 بينما كانت الحبيبات البلورية للأغشية الرقيقة Sb2Te3 تتكون من حبيبات دائرية دقيقة ، على غرار ما أبلغ عنه Amirghasemi et al36. تكشف الصور المقطعية لكلتا العينتين عن جزيئات مكتظة تنمو فوق الركيزة. كان للأفلام سمك موحد يبلغ حوالي 1.429 ± 0.01 ميكرومتر و 0.424 ± 0.01 ميكرومتر للأغشية الرقيقة Bi2Te3 و Sb2Te3 ، على التوالي. تم حساب تكوين الأفلام من أطياف EDX في الملف التكميلي 1 والملف التكميلي 2 ، وتم جدولة القيم في الجدول 1. تظهر القيم المقدرة أن كلا الفيلمين الرقيقين لهما نسب متكافئة.

تم تحديد تركيز الموجة الحاملة والتوصيل للأغشية الرقيقة المترسبة عند درجة حرارة محيطة ، بينما تم قياس معامل Seebeck المطلق عند درجة حرارة تقارب 50 درجة مئوية. وترد هذه النتائج في الجدول 2. يظهر الفيلم الرقيق Bi2Te3 معامل Seebeck المطلق السلبي وقيم تركيز الموجة الحاملة التي تؤكد أن الفيلم كان من النوع n ويظهر فيلم Sb2Te3 قيما موجبة لكل من معامل Seebeck المطلق وتركيز الناقل مما يؤكد الموصلية من النوع p.

Figure 3
الشكل 3: صور المقطع العرضي FESEM. (أ) صورة المقطع العرضي ل Bi2Te3 بسمك الفيلم. (B) صورة المقطع العرضي ل Sb2Te3 مع سمك الفيلم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

هدف طاقة التردد اللاسلكي ، (W) معامل سيبيك المطلق، S (μV/K) تركيز الناقل ، ملحوظة (cm-3) الموصلية ، σ (Ω / سم)
بي2تي3 75 -72.84 -5.71 س 1020 108.96
س.ب2تي3 30 238.83 1.44 س 1021 6.05

الجدول 1: تحليل تكوين EDX. يتكون الجدول من النسبة المئوية للوزن المكتسبة من أطياف EDX ، والنسبة المئوية الذرية المحسوبة لكل عنصر ، ونسبة التركيب ، والسمك ، ومعدل الترسيب لكل من عينات Bi2Te3 و Sb2Te3 .

عينة نسبة الوزن (٪) النسبة الذرية (± 0.5٪) النسبة الذرية سمك (± 0.01 ميكرومتر) معدل الترسيب (نانومتر / دقيقة)
بي2تي3 (ثنائي) 51.0 (هاتفي) 42.8 (ثنائي) 41.9 (هاتفي) 58.1 [ثنائي]:[تي] 2:3 1.429 23.8
س.ب2تي3 (سب) 39.6 (هاتفي) 59.7 (سب) 40.0 (هاتفي) 60.0 [سب]:[تي] 2:3 0.424 7.0

الجدول 2: الخواص الكهروحرارية للأغشية الرقيقة الدقيقة. يتكون الجدول من المواد المستهدفة ، وقوى التردد اللاسلكي المستخدمة ، ومعاملات Seebeck المطلقة ، ومعاملات Hall ، وقيم الموصلية لكل من عينات Bi2Te3 و Sb2Te3 .

الملف التكميلي 1: طيف FESEM و EDX المستوي من Bi2Te3 مع نسبة الوزن لكل عنصر. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 2: طيف FESEM و EDX المستوي من Sb2Te3 مع نسبة الوزن لكل عنصر. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

لا تمثل التقنية المقدمة في هذه الورقة صعوبة كبيرة في إعداد المعدات والتنفيذ. ومع ذلك، لا بد من تسليط الضوء على عدة خطوات حاسمة. كما هو مذكور في الخطوة 2.2.10 من البروتوكول ، فإن حالة الفراغ المثلى هي المفتاح لإنتاج أغشية رقيقة عالية الجودة مع تلوث أقل حيث يزيل الفراغ الأكسجين المتبقي في الغرفة37. يمكن أن يتسبب وجود الأكسجين في حدوث تشققات في الأفلام تسمى تكسير الإجهاد مما يشير إلى أهمية نظام الفراغ العالي في عملية الاخرق38. هذا يقلل أيضا من الاصطدامات مع جزيء الغاز المتبقي في حركة الذرات39 من الهدف إلى الركيزة ، مما ينتج عنه أغشية رقيقة موحدة للغاية. بخلاف ذلك ، تعد الخطوة 2.2.2 في البروتوكول مهمة لضمان الاخرق المستمر عن طريق تبديد الحرارة من خلال نقل الحرارة بالماء من نظام التبريد. تستخدم هذه الطريقة الجهد العالي والتيار الكهربائي الذي يظهر في النهاية كتسخين مستهدف. قد يؤدي تبديد الحرارة السيئ إلى ارتفاع درجة الحرارة إلى ارتفاع درجة حرارة كوري ، مما يؤدي إلى فشل عملية الاخرق بأكملها40. علاوة على ذلك ، يقترح زيادة طاقة التردد اللاسلكي تدريجيا أثناء الاخرق بمقدار 5 واط لكل 10 ثوان حتى تصل إلى الطاقة المطلوبة قبل بدء تشغيل المؤقت. هذه الخطوة مهمة لتجنب التشققات على الهدف بسبب الصدمة الحرارية عندما يتم توفير الكثير من الطاقة في فترة زمنية قصيرة جدا41.

يتأثر الاخرق بشكل أساسي بمعلمته بما في ذلك قوة الاخرق ، ووقت الترسيب ، وضغط العمل ، ودرجة حرارة الركيزة ، والهدف إلى مسافةالركيزة 42،43،44،45. تؤثر قوة الاخرق على معدل الترسيب وسمك الفيلم. زيادة الجهد يؤدي إلى زيادة معدل الترسيب ، وبالتالي يزيد من سمك الفيلم44. تظهر الدراسة التي أجراها Sahu et al.46 تباينا في معدل الترسيب الناتج عن عملية الاخرق المشترك ل Ni و Zr ، مع تطبيق طاقة تيار مستمر مختلفة على هدف Zr. تشير النتائج إلى أن معدل ترسيب أغشية Ni-Zr يزداد مع زيادة مصدر طاقة التيار المستمر ل Zr. بحثت دراستهم اللاحقة47 في تأثير جهد تحيز الركيزة السلبي على معدل الترسيب. تظهر النتيجة أن معدل الترسيب يتناقص تدريجيا مع زيادة جهد تحيز الركيزة. يمكن رؤية هذه الظاهرة أيضا في نتائج هذه الدراسة حيث ينتج Bi2Te3 المتناثر ب 75 واط أغشية أكثر سمكا من Sb2Te3 ، والتي تم رشها بقوة RF أقل بكثير في نفس وقت الترسيب. ومع ذلك ، تم إيداع كلا الفيلمين بنجاح مما يشير إلى أن قدرة التردد اللاسلكي تتجاوز عتبة الجهد لكل هدف ويمكن استخدامها في دراسات أخرى اعتمادا على السماكة المطلوبة.

وفقا للبروتوكول ، لا تتطلب هذه الطريقة ذوبان وتبخر المادة المستهدفة. وهذا يؤدي إلى إمكانية ترسيب جميع المواد تقريبا بغض النظر عن درجة حرارة انصهارها ، مما يجعلها متفوقة على تقنيات PVD الأخرى. يعد الاخرق RF المستخدم في هذه الدراسة أيضا أكثر فائدة من الاخرق DC من حيث الاستقرار. أظهرت دراسة يعقوب وآخرون 48 أن تراكم الشحنة على سطح الهدف يسبب عدم استقرار البلازما مما أعاق عملية رش التيار المستمر. في المقابل ، تميل بلازما الاخرق RF إلى نزع فتيل الغرفة في جميع أنحاء الغرفة بدلا من التركيز حول المادة المستهدفة مما يخلق ثباتا أفضل أثناء الترسيب. بخلاف ذلك ، يمنع الاخرق RF تراكم الشحنة مما يقلل من الانحناء على السطح المستهدف ، مما يؤدي إلى إنتاج أفلام أفضل من رش التيار المستمر49.

على الرغم من وجود العديد من المزايا الجذابة ، فإن الاخرق RF يتطلب جهدا أعلى بكثير مقارنة برش التيار المستمر بمعدلات ترسيب أقل48. كما أنه معرض لخطر ارتفاع درجة الحرارة بسبب الجهد العالي الذي يتطلب دوائر متقدمة ونظام تبريد إضافي كما هو مذكور في الخطوة 2.2.2 في البروتوكول. بصرف النظر عن ذلك ، فإن البلازما المستمرة للترددات اللاسلكية عند ضغط أقل بكثير بواسطة التيار المتردد ، ومع ذلك فإن عدم وجود هدف ثانوي يؤدي إلى معدل ترسب أبطأ. يمكن التخفيف من هذه المشكلة عن طريق إضافة تفريغ ثانوي بين الهدف والركيزة من أجل زيادة جزء التأين للأنواع المتناثرة24. ومع ذلك ، فإن كل هذه العوامل تساهم في ارتفاع التكلفة التي تؤدي إلى استخدام الاخرق RF فقط على نطاق أصغر وركائز.

يعد رش المغنطرون جوهر صناعة أشباه الموصلات ، حيث يعد إنشاء أغشية أكسيد عازلة للغاية (طبقة الحاجز) وطبقة موصلة وشبكة معدنية أمرا مهما لتصنيع الدوائر المتكاملة. تم إجراء العديد من التطويرات المخصصة للتطبيقات المتعلقة بالطاقة مثل تحويل الطاقة50 ، وتوسيع نطاق تنفيذ التقنية المقدمة ، ليس فقط للمواد الكهروحرارية ، ولكن أيضا لأجهزة استشعار الأغشية الرقيقة والأغشية الرقيقة الكهروضوئية. في الآونة الأخيرة ، درس Lenis et al.51 إمكانات هذه التقنية في المجال الطبي الحيوي عن طريق ترسيب الطلاء المتوافق حيويا والمضاد للبكتيريا ل HA-Ag / TiN-Ti والذي يستخدم على نطاق واسع في الأطراف الاصطناعية الجراحية. تظهر الدراسة التي أجراها Wang et al.52 أيضا تنفيذ هذه التقنية في ترسيب أغشية رقيقة من ثالث أكسيد التنغستن ذات البنية النانوية والتي لها تطبيق محتمل مهم في مجال النوافذ الذكية. في الختام ، تمثل هذه الطريقة منصة قوية لترسيب الأغشية الرقيقة ومجموعة واسعة من التطبيقات مع إمكانية التطوير الإضافي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

يود المؤلفون أن يشكروا الدعم المالي المقدم من منحة أبحاث جامعة كيبانغسان ماليزيا: UKM-GGPM-2022-069 لإجراء هذا البحث.

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

الهندسة، العدد 207،
تصنيع الأغشية الرقيقة الكهروحرارية Bi<sub>2</sub>Te<sub>3</sub> و Sb<sub>2</sub>Te<sub>3</sub> باستخدام تقنية الاخرق المغنطرون بتردد الراديو
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