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

1. إعداد الركيزة
<ol><li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>أخرج الركائز من الدورق واحدة تلو الأخرى باستخدام ملقط ، وضعها على سطح مستو نظيف ، امسك الركيزة بملقط وانفخها بغاز النيتروجين حتى تجف.</li>
	<li>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.</li>
</ol>2. طريقة الاخرق
<ol><li>إعداد الغرفة<ol><li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol></li>
	<li>قبل الاخرق<ol><li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>اضبط تدفق الأرجون على 4 sccm وقم بتشغيل مفتاح تبديل الغاز. انتظر حتى يصل التدفق إلى القيمة المحددة.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>على مصدر طاقة التردد اللاسلكي ، اضبط طاقة التردد اللاسلكي على 50 وات واضغط على زر البدء . اضبط المؤقت على 15 دقيقة.</li>
		<li>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.</li>
		<li>تنفيس لفتح الغرفة. تأكد من إيقاف تشغيل المضخة الجزيئية التوربينية (TMP) قبل التنفيس. سيؤدي التنفيس أثناء تشغيل TMP إلى إتلاف النظام.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol></li>
	<li>الاخرق<ol><li>قم بتشغيل نظام التبريد واضبطه على 15 درجة مئوية. قم بتشغيل المضخة وزر التبريد ، وافتح الصمام المتصل بأداة الاخرق.</li>
		<li>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.</li>
		<li>اضغط على زر الطاقة لتشغيل وحدة تحكم الشبكة المطابقة التلقائية ومصدر طاقة التردد اللاسلكي.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>قم بزيادة طاقة التردد اللاسلكي تدريجيا بفاصل 5 واط لكل 10 ثوان حتى تصل إلى 75 وات. اضبط المؤقت على 60 دقيقة.</li>
	</ol></li>
	<li>ما بعد الاخرق<ol><li>قم بإيقاف تشغيل طاقة التردد اللاسلكي والدوران. قم بإيقاف تشغيل وحدة التحكم في الشبكة المطابقة التلقائية ومصدر طاقة التردد اللاسلكي.</li>
		<li>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.</li>
		<li>تنفيس لفتح الغرفة. تأكد من إيقاف تشغيل TMP قبل التنفيس. سيؤدي التنفيس أثناء تشغيل TMP إلى إتلاف النظام.</li>
		<li>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.</li>
		<li>نظف الحجرة ونظف بالمكنسة الكهربائية لمدة 10 - 15 دقيقة للحفاظ على الحجرة تحت حالة فراغ (خالية من الشوائب).</li>
	</ol></li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66248/66248fig02.jpg"> الشكل 2: الإعداد التجريبي. صورة لآلة الاخرق المستخدمة في هذه الدراسة. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66248/66248fig02large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
3. التوصيف
<ol><li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>

ترسب الأغشية الرقيقة Bi2Te3 و Sb2Te3 على ركائز زجاجية عبر الاخرق RF

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

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 الغرف?...

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.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66248/66248fig01.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66248/66248fig01large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Acetone</td>
			<td>Chemiz (M) Sdn. Bhd.</td>
			<td>1910151</td>
			<td>Liquid, Flammable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Antimony Telluride, Sb2Te3</td>
			<td>China Rare Metal Material Co.,Ltd</td>
			<td>C120222-0304</td>
			<td>Diameter 50.8 mm, Thickness 6.35 mm, 99.999% purity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bismuth Telluride, Bi2Te3</td>
			<td>China Rare Metal Material Co.,Ltd</td>
			<td>CB151208-0501</td>
			<td>Diameter 50.8 mm, Thickness 4.25 mm, 99.999% purity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td>Chemiz (M) Sdn. Bhd.</td>
			<td>2007081</td>
			<td>Liquid, Flammable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Field Emission Scanning Electron Microscope</td>
			<td>Zeiss</td>
			<td>MERLIN</td>
			<td>Equipped with EDX</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hall effect measurement system</td>
			<td>Aseptec Sdn. Bhd.</td>
			<td>HMS ECOPIA 3000</td>
			<td>-</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Handheld digital multimeter</td>
			<td>Prokits Industries Sdn. Bhd.</td>
			<td>303-150NCS</td>
			<td>-</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HMS-3000</td>
			<td>Aseptec Sdn Bhd.</td>
			<td>HMS ECOPIA 3000</td>
			<td>Hall effect measurement software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Linseis_TA</td>
			<td>Linseis Messger&#228;te GmbH</td>
			<td>LSR-3</td>
			<td>Linseis thermal analysis software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methanol</td>
			<td>Chemiz (M) Sdn. Bhd.</td>
			<td>2104071</td>
			<td>Liquid, Flammable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RF-DC magnetron sputtering</td>
			<td>Kurt J. Lesker Company</td>
			<td>-</td>
			<td>Customized hybrid system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Seebeck coefficient measurement system</td>
			<td>Linseis Messger&#228;te GmbH</td>
			<td>LSR-3</td>
			<td>-</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SmartTiff</td>
			<td>Carl Zeiss Microscopy Ltd</td>
			<td>-</td>
			<td>SEM image thickness measurement software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasonic bath</td>
			<td>Fisherbrand</td>
			<td>FB15055</td>
			<td>-</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV ozone cleaner</td>
			<td>Ossila Ltd</td>
			<td>L2002A3-UK</td>
			<td>-</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabrication of bi2te3 and sb2te3 thermoelectric thin films using radio frequency magnetron sputtering technique

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 .

Thermoelectric (TE) materials have been attracting a considerable amount of research interest regarding their ability to convert thermal energy into electricity via the Seebeck effect1 and refrigeration via Peltier cooling2. The conversion efficiency of TE material is determined by the temperature difference between the hot end of the TE leg and the cold end. Generally, the higher the temperature difference, the higher the TE figure of merit and the higher its efficiency3. TE works with no requirement for additional mechanical parts involving gas or liquid in its process, producing no waste or pollution, making it environmentally safe and considered a green energy harvesting system.
Bismuth telluride, Bi2Te3, and its alloys remain the most important class of TE material. Even in thermoelectric power generation, such as the recovery of waste heat, Bi2Te3 alloys are most commonly used due to their superior efficiency up to 200 &#176;C4 and remain an excellent TE material at ambient temperature despite the zT value of more than 2 in various TE materials5. Several published papers have studied the TE properties of this material, which shows that the stoichiometric Bi2Te3 has a negative Seebeck coefficient6,7,8, indicating n-type properties. However, this compound can be adjusted to p- and n-type by alloying with antimony telluride (Sb2Te3) and bismuth selenide (Bi2Se3), respectively, which can increase their bandgap and reduce bipolar effects9.
Antimony telluride, Sb2Te3 is another well-established TE material with high figure of merit at low temperature. While stoichiometric Bi2Te3 is a great TE with n-type properties, Sb2Te3 has p-type properties. In some cases, the properties of TE materials often depend on the atomic composition of the material such as the n-type Te-rich Bi2Te3, but a p-type Bi-rich Bi2Te3 due to BiTe antisite acceptor defects4. However, Sb2Te3 is always p-type due to comparatively low formation energy of SbTe antisite defects, even in Te-rich Sb2Te34. Thus, these two materials become suitable candidates to fabricate p-n module of thermoelectric generator for various applications.
The current conventional TEGs are made of diced ingots of n-type and p-type semiconductors connected vertically in series10. They have only been used in niche fields due to their low efficiency and bulky, rigid nature. Over time, researchers have started to explore thin film structures for better performance and application. It is reported that thin film TE have advantages over their bulky counterpart such as higher zT due to their low thermal conductivity11,12, less amount of material and easier integration with integrated circuit12. As a result, niche TE research on thin film thermoelectric devices has been on the rise benefitting from the advantages of nanomaterial structure13,14.
Microfabrication of thin film is important to attain high performance TE materials. Various deposition approaches have been researched and developed including chemical vapor deposition15, atomic layer deposition16,17, pulsed laser deposition18,19,20, screen printing8,21, and molecular beam epitaxy22 to serve this purpose. However, the majority of these techniques suffer from high operation cost, complex growth process or complicated material preparation. On the contrary, magnetron sputtering is a cost-effective approach for producing high-quality thin films that are denser, exhibit smaller grain size, have better adhesion, and high uniformity23,24,25.
Magnetron sputtering is one of the plasma-based physical vapor deposition (PVD) processes which is widely used in various industrial applications. Sputtering process works when sufficient voltage is applied to a target (cathode), ions from the glow discharge plasma bombards the target and release not only secondary electrons, but also atoms of the cathode materials which eventually impact the surface of the substrate and condense as a thin film. Sputtering process was first commercialized in 1930s and improved in 1960s, gaining significant interest due to its ability to deposit wide range of materials using direct current (DC) and RF sputtering26,27. The magnetron sputtering overcomes low deposition rate and high substrate heating impact by utilizing magnetic field. The strong magnet confines the electrons in the plasma at or near the surface of the target and prevent damage to the formed thin film. This configuration preserves the stoichiometry and thickness uniformity of the deposited thin film28.
The preparation of Bi2Te3 and Sb2Te3 thermoelectric thin films using magnetron sputtering method has also been extensively studied, incorporating technique such as doping4,29,30 and annealing31 in the procedures, leading to different performance and quality. Study by Zheng et al.32 uses thermally induced diffusion method to diffuse Ag-doped Bi and Te layer which were sputtered separately. This method enables precise control on the composition of the thin films and the diffusion of Te by thermal induction protects the Te from being volatilized. The properties of the thin films can also be enhanced by pre-coating process33 before sputtering which results in better electrical conductivity due to high carrier mobility, consequently enhancing the power factor. Other than that, study by Chen et al.34 improved the thermoelectric performance of sputtered Bi2Te3 by doping Se via post-selenization diffusion reaction method. During the process, Se vaporizes and diffuses into the Bi-Te thin films to form Bi-Te-Se films, which results in 8-fold higher power factor than undoped Bi2Te3.
This paper describes our experimental setup and procedure for the RF magnetron sputtering technique to deposit Bi2Te3 and Sb2Te3 thin films on glass substrates. Sputtering was performed in a top-down configuration as shown in the schematic diagram in Figure 1, cathode was mounted at an angle to the substrate normal, leading to a more concentrated and convergent plasma to the substrate. The films were systematically characterized using FESEM, EDX, Hall effect and Seebeck coefficient measurement to study their surface morphology, thickness, composition, and thermoelectric properties.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66248/66248fig01.jpg" /> 
Figure 1: A schematic of the top-down configuration sputter. The diagram was designed according, but not to scale, to the actual sputtering configuration available for this study including the arrangement of glass substrates to be sputtered viewed from the top. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66248/66248fig01large.jpg" target="_blank">Please click here to view a larger version of this figure.</a>

تسليط الضوء على المؤلف: التطورات في الأغشية الرقيقة الكهروحرارية عالية الأداء من خلال الاخرق المغنطرون بتردد الراديو

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

Our research focuses on fabricating high-quality thin films for thermoelectric generators to recover waste heat and turn it into electricity. Various thin film deposition technique have been researched and developed, including radio frequency magnetron sputtering that is able to produce high-density, robust thin films with better adhesion and high uniformity. This method does not require melting and evaporation of the target materials, enabling most of materials to be deposited regardless of their melting temperature, making it superior than other physical vapor deposition technologies.

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 الشك...

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.

Through various studies on thermoelectric (TE) materials, thin film configuration gives superior advantages over conventional bulk TEs, including ...

يركز بحثنا على تصنيع أغشية رقيقة عالية الجودة للمولدات الكهروحرارية لاستعادة الحرارة المهدرة وتحويلها إلى كهرباء. تم بحث وتطوير العديد من تقنيات ترسيب الأغشية الرقيقة ، بما في ذلك رش المغنطرون بتردد الراديو القادر على إنتاج أغشية رقيقة عالية الكثافة وقوية مع التصاق أفضل وتوحيد عالي. لا تتطلب هذه الطريقة ذوبان وتبخر المواد المستهدفة ، مما يتيح ترسيب معظم المواد بغض النظر عن درجة حرارة انصهارها ، مما يجعلها متفوقة على تقنيات ترسيب البخار الفيزيائية الأخرى.

fabrication-bi2te3-sb2te3-thermoelectric-thin-films-using-radio

Research

JoVE Journal

Engineering

Fabrication of Bi2Te3 and Sb2Te3 Thermoelectric Thin Films using Radio Frequency Magnetron Sputtering Technique

1.8K Views.  Universiti Kebangsaan Malaysia. يركز بحثنا على تصنيع أغشية رقيقة عالية الجودة للمولدات الكهروحرارية لاستعادة الحرارة المهدرة وتحويلها إلى كهرباء. تم بحث وتطوير العديد من تقنيات ترسيب الأغشية الرقيقة ، بما في ذلك رش المغنطرون بتردد الراديو القادر على إنتاج أغشية رقيقة عالية الكثافة وقوية مع التصاق أفضل ...

Video: تسليط الضوء على المؤلف: التطورات في الأغشية الرقيقة الكهروحرارية عالية الأداء من خلال الاخرق المغنطرون بتردد الراديو

Through various studies on thermoelectric (TE) materials, thin film configuration gives superior advantages over conventional bulk TEs, including adaptability to curved and flexible substrates. Several different thin film deposition methods have been explored, yet magnetron sputtering is still favorable due to its high deposition efficiency and scalability. Therefore, this study aims to fabricate a bismuth telluride (Bi2Te3) and antimony telluride (Sb2Te3) thin film via the radio frequency (RF) magnetron sputtering method. The thin films were deposited on soda lime glass substrates at ambient temperature. The substrates were first washed using water and soap, ultrasonically cleaned with methanol, acetone, ethanol, and deionized water for 10 min, dried with nitrogen gas and hot plate, and finally treated under UV ozone for 10 min to remove residues before the coating process. A sputter target of Bi2Te3 and Sb2Te3 with Argon gas was used, and pre-sputtering was done to clean the target&#39;s surface. Then, a few clean substrates were loaded into the sputtering chamber, and the chamber was vacuumed until the pressure reached 2 x 10-5 Torr. The thin films were deposited for 60 min with Argon flow of 4 sccm and RF power at 75 W and 30 W for Bi2Te3 and Sb2Te3, respectively. This method resulted in highly uniform n-type Bi2Te3 and p-type Sb2Te3 thin films.

The manuscript describes a protocol for radio frequency magnetron sputtering of Bi2Te3 and Sb2Te3 thermoelectric thin films on glass substrates, which represents a reliable deposition method that provides a wide range of applications with the potential for further development.