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

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 سلبي^6،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 Bi_Te ^{antisite 4}. ومع ذلك ، فإن Sb₂Te₃ دائما من النوع p بسبب طاقة التكوين المنخفضة نسبيا لعيوب Sb_Te 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 المنخفضة^11,12 ، 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 النانوية^13,14.

التصنيع الدقيق للأغشية الرقيقة مهم لتحقيق مواد TE عالية الأداء. تم بحث وتطوير طرق الترسيب المختلفة بما في ذلك ترسيب البخار الكيميائي¹⁵ ، ترسيب الطبقة الذرية^16،17 ، ترسيب الليزر النبضي^18،19،20 ، طباعة الشاشة^8،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 عالي^23،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 RF^26,27. 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 الرقيق^{المترسب 28}.

كما تمت دراسة تحضير الأغشية الرقيقة الكهروحرارية Bi₂Te₃ و Sb₂Te₃ باستخدام طريقة الاخرق المغنطرون على نطاق واسع ، مع دمج تقنية مثل المنشطات^4،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.

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.