El yazması, Bi2Te3 ve Sb2Te3 termoelektrik ince filmlerin cam yüzeyler üzerine radyo frekansı magnetron püskürtmesi için bir protokolü açıklar ve bu, daha fazla geliştirme potansiyeli olan geniş bir uygulama yelpazesi sağlayan güvenilir bir biriktirme yöntemini temsil eder.
Termoelektrik (TE) malzemeler üzerinde yapılan çeşitli çalışmalar sayesinde, ince film konfigürasyonu, kavisli ve esnek alt tabakalara uyarlanabilirlik de dahil olmak üzere geleneksel dökme TE’lere göre üstün avantajlar sağlar. Birkaç farklı ince film biriktirme yöntemi araştırılmıştır, ancak magnetron püskürtme, yüksek biriktirme verimliliği ve ölçeklenebilirliği nedeniyle hala uygundur. Bu nedenle, bu çalışma, radyo frekansı (RF) magnetron püskürtme yöntemi ile bir bizmut tellürür (Bi2Te3) ve antimon tellür (Sb2Te3) ince filmi üretmeyi amaçlamaktadır. İnce filmler, ortam sıcaklığında soda kireç camı yüzeyleri üzerinde biriktirildi. Yüzeyler önce su ve sabun kullanılarak yıkandı, 10 dakika boyunca metanol, aseton, etanol ve deiyonize su ile ultrasonik olarak temizlendi, nitrojen gazı ve sıcak plaka ile kurutuldu ve son olarak kaplama işleminden önce kalıntıları gidermek için 10 dakika boyunca UV ozon altında muamele edildi. Argon gazı ile Bi2Te3 ve Sb2Te3’lük bir püskürtme hedefi kullanıldı ve hedefin yüzeyini temizlemek için ön püskürtme yapıldı. Daha sonra, püskürtme odasına birkaç temiz alt tabaka yüklendi ve oda, basınç 2 x 10-5 Torr’a ulaşana kadar vakumlandı. İnce filmler, Bi 2 Te3 veSb2Te3 için sırasıyla 75 W ve 30 W’ta 4 sccm Argon akışı ve RF gücü ile 60 dakika boyunca biriktirildi. Bu yöntem, oldukça homojen n-tipi Bi2Te3 ve p-tipi Sb2Te3 ince filmlerle sonuçlandı.
Termoelektrik (TE) malzemeler, Seebeck etkisi1 yoluyla termal enerjiyi elektriğe dönüştürme ve Peltier soğutma2 yoluyla soğutma yetenekleri konusunda önemli miktarda araştırma ilgisi çekmektedir. TE malzemesinin dönüşüm verimliliği, TE bacağının sıcak ucu ile soğuk ucu arasındaki sıcaklık farkı ile belirlenir. Genel olarak, sıcaklık farkı ne kadar yüksek olursa, TE liyakat rakamı o kadar yüksek ve verimliliği o kadar yüksekolur 3. TE, prosesinde gaz veya sıvı içeren ek mekanik parçalara ihtiyaç duymadan çalışır, atık veya kirlilik üretmez, bu da onu çevre açısından güvenli hale getirir ve yeşil enerji toplama sistemi olarak kabul edilir.
Bizmut tellür, Bi2Te3 ve alaşımları, TE malzemesinin en önemli sınıfı olmaya devam etmektedir. Atık ısının geri kazanımı gibi termoelektrik enerji üretiminde bile, Bi2Te3 alaşımları, 200 ° C’ye kadar üstün verimlilikleri nedeniyle en yaygın olarak kullanılır4 ve çeşitli TE malzemelerinde 2’den fazla zT değerine rağmen ortam sıcaklığında mükemmel bir TE malzemesi olarak kalır5. Yayınlanmış birkaç makale, stokiyometrik Bi2Te3’ün n-tipi özellikleri gösteren negatif bir Seebeck katsayısı 6,7,8’e sahip olduğunu gösteren bu malzemenin TE özelliklerini incelemiştir. Bununla birlikte, bu bileşik, sırasıyla antimon tellür (Sb2Te3) ve bizmut selenit (Bi2Se3) ile alaşımlanarak p ve n tipine ayarlanabilir, bu da bant aralıklarını artırabilir ve bipolar etkileri azaltabilir9.
Antimon tellür, Sb2Te3, düşük sıcaklıkta yüksek liyakat rakamına sahip bir başka köklü TE malzemesidir. Stokiyometrik Bi2Te3, n-tipi özelliklere sahip harika bir TE iken, Sb2Te3, p-tipi özelliklere sahiptir. Bazı durumlarda, TE malzemelerinin özellikleri genellikle n-tipi Te-zengin Bi2Te3 gibi malzemenin atomik bileşimine bağlıdır, ancak BiTe antisit alıcı kusurları nedeniyle p-tipi Bi-zengin Bi2Te3 4. Bununla birlikte, Sb2Te3, Te bakımından zengin Sb2Te34’te bile, SbTe antisit defektlerinin nispeten düşük oluşum enerjisi nedeniyle her zaman p-tipidir. Böylece, bu iki malzeme, çeşitli uygulamalar için termoelektrik jeneratörün pn modülünü imal etmek için uygun adaylar haline gelir.
Mevcut konvansiyonel TEG’ler, seri10’da dikey olarak bağlanmış n-tipi ve p-tipi yarı iletkenlerin doğranmış külçelerinden yapılmıştır. Düşük verimlilikleri ve hacimli, sert yapıları nedeniyle sadece niş alanlarda kullanılmıştır. Zamanla, araştırmacılar daha iyi performans ve uygulama için ince film yapılarını keşfetmeye başladılar. İnce film TE’nin, düşük ısı iletkenliği 11,12, daha az malzeme miktarı ve entegre devre12 ile daha kolay entegrasyonu nedeniyle daha yüksek zT gibi hacimli muadillerine göre avantajları olduğu bildirilmektedir. Sonuç olarak, nanomalzeme yapısının avantajlarından yararlanan ince film termoelektrik cihazlar üzerine niş TE araştırmalarıartmaktadır 13,14.
İnce filmin mikrofabrikasyonu, yüksek performanslı TE malzemeleri elde etmek için önemlidir. Bu amaca hizmet etmek için kimyasal buhar biriktirme15, atomik katman biriktirme 16,17, darbeli lazer biriktirme 18,19,20, serigrafi 8,21 ve moleküler ışın epitaksi22 dahil olmak üzere çeşitli biriktirme yaklaşımları araştırılmış ve geliştirilmiştir. Bununla birlikte, bu tekniklerin çoğu yüksek işletme maliyeti, karmaşık büyüme süreci veya karmaşık malzeme hazırlığından muzdariptir. Aksine, magnetron püskürtme, daha yoğun, daha küçük tane boyutu sergileyen, daha iyi yapışma özelliğine ve yüksek homojenliğe sahip yüksek kaliteli ince filmler üretmek için uygun maliyetli bir yaklaşımdır 23,24,25.
Magnetron püskürtme, çeşitli endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılan plazma bazlı fiziksel buhar biriktirme (PVD) işlemlerinden biridir. Püskürtme işlemi, bir hedefe (katot) yeterli voltaj uygulandığında, kızdırma deşarj plazmasından gelen iyonlar hedefi bombardıman ettiğinde ve sadece ikincil elektronları değil, aynı zamanda sonunda substratın yüzeyini etkileyen katot malzemelerinin atomlarını da serbest bıraktığında çalışır ve ince bir film olarak yoğunlaşır. Püskürtme işlemi ilk olarak 1930’larda ticarileştirilmiş ve 1960’larda geliştirilmiş, doğru akım (DC) ve RF püskürtme26,27 kullanarak çok çeşitli malzemeleri biriktirme kabiliyeti nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Magnetron püskürtme, manyetik alan kullanarak düşük biriktirme hızının ve yüksek alt tabaka ısıtma etkisinin üstesinden gelir. Güçlü mıknatıs, plazmadaki elektronları hedefin yüzeyinde veya yakınında sınırlar ve oluşan ince filmin zarar görmesini önler. Bu konfigürasyon, biriken ince filmin stokiyometrisini ve kalınlık homojenliğinikorur 28.
Magnetron püskürtme yöntemi kullanılarak Bi2Te3 ve Sb2Te3 termoelektrik ince filmlerin hazırlanması da kapsamlı bir şekilde incelenmiş, prosedürlere doping 4,29,30 ve tavlama31 gibi teknikler dahil edilerek farklı performans ve kaliteye yol açmıştır. Zheng ve ark.32 tarafından yapılan çalışma, ayrı ayrı püskürtülen Ag katkılı Bi ve Te tabakasını yaymak için termal olarak indüklenen difüzyon yöntemini kullanır. Bu yöntem, ince filmlerin bileşimi üzerinde hassas kontrol sağlar ve Te’nin termal indüksiyonla difüzyonu, Te’nin uçmasını önler. İnce filmlerin özellikleri, püskürtmeden önce ön kaplama işlemi33 ile de geliştirilebilir, bu da yüksek taşıyıcı hareketliliği nedeniyle daha iyi elektrik iletkenliği ile sonuçlanır ve sonuç olarak güç faktörü artar. Bunun dışında, Chen ve ark.34 tarafından yapılan çalışma, selenizasyon sonrası difüzyon reaksiyonu yöntemi ile Se’yi doping yaparak püskürtülen Bi2Te3’ün termoelektrik performansını iyileştirdi. İşlem sırasında Se buharlaşır ve Bi-Te-Se filmleri oluşturmak için Bi-Te ince filmlere yayılır, bu da katkısız Bi2Te3’ten 8 kat daha yüksek güç faktörü ile sonuçlanır.
Bu makale, Bi2Te3 ve Sb2Te3 ince filmlerini cam yüzeyler üzerine biriktirmek için RF magnetron püskürtme tekniği için deneysel kurulumumuzu ve prosedürümüzü açıklamaktadır. Püskürtme, Şekil 1’deki şematik diyagramda gösterildiği gibi yukarıdan aşağıya bir konfigürasyonda gerçekleştirildi, katot substrat normaline bir açıyla monte edildi, bu da substrata daha konsantre ve yakınsak bir plazmaya yol açtı. Filmler, yüzey morfolojilerini, kalınlıklarını, bileşimlerini ve termoelektrik özelliklerini incelemek için FESEM, EDX, Hall etkisi ve Seebeck katsayısı ölçümü kullanılarak sistematik olarak karakterize edildi.
Şekil 1: Yukarıdan aşağıya yapılandırma püskürtme şeması. Diyagram, üstten bakıldığında püskürtülecek cam alt tabakaların düzenlenmesi de dahil olmak üzere, bu çalışma için mevcut olan gerçek püskürtme konfigürasyonuna göre ölçeklendirilmemiş, ancak ölçeklendirilmeyecek şekilde tasarlanmıştır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Bu yazıda sunulan teknik, ekipmanın kurulmasında ve uygulanmasında önemli bir zorluk yaratmamaktadır. Bununla birlikte, birkaç kritik adımın vurgulanması gerekir. Protokolün 2.2.10 adımında belirtildiği gibi, vakum haznedeki artık oksijeni giderdiği için daha az kontaminasyona sahip yüksek kaliteli ince filmler üretmek için optimum vakum koşulu anahtardır37. Oksijenin varlığı, püskürtme işleminde yüksek vakum sisteminin önemini gösteren gerilme çatlaması adı veril…
The authors have nothing to disclose.
Yazarlar, bu araştırmayı yürütmek için Universiti Kebangsaan Malaysia araştırma hibesi: UKM-GGPM-2022-069’un mali desteğini kabul eder.
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 | – |