使用射频磁控溅射技术制备Bi2Te3 和Sb2Te3 热电薄膜

摘要

该手稿描述了一种在玻璃基板上对Bi₂Te₃ 和Sb₂Te₃ 热电薄膜进行射频磁控溅射的协议，该协议代表了一种可靠的沉积方法，具有广泛的应用潜力，并具有进一步发展的潜力。

摘要

通过对热电 （TE） 材料的各种研究，薄膜配置比传统的块状 TE 具有优越的优势，包括对弯曲和柔性基板的适应性。已经探索了几种不同的薄膜沉积方法，但磁控溅射由于其高沉积效率和可扩展性而仍然具有优势。因此，本研究旨在通过射频（RF）磁控溅射法制备碲化铋（Bi₂Te₃）和碲化锑（Sb₂Te₃）薄膜。薄膜在环境温度下沉积在钠钙玻璃基板上。首先用水和肥皂洗涤基材，用甲醇、丙酮、乙醇和去离子水超声清洗10 min，用氮气和热板干燥，最后在UV臭氧下处理10 min，去除残留物后再进行涂布工艺。使用带有氩气的 Bi₂Te₃ 和 Sb₂Te₃ 溅射靶材，并进行预溅射以清洁靶材表面。然后，将一些干净的基板装入溅射室，并对溅射室进行真空吸尘，直到压力达到 2 x ^10-5 Torr。薄膜沉积60 min，氩气流量为4 sccm，射频功率分别为75 W和30 W，Bi₂Te₃ 和Sb₂Te₃。该方法产生了高度均匀的n型Bi₂Te₃ 和p型Sb₂Te₃ 薄膜。

引言

热电 （TE） 材料通过塞贝克效应¹ 将热能转化为电能以及通过帕尔帖冷却² 将热能转化为电能的能力吸引了相当多的研究兴趣。TE材料的转换效率由TE支腿的热端和冷端之间的温差决定。一般来说，温差越大，TE的品质因数越高，其效率越高³。TE 在工作过程中不需要额外的机械部件，不会产生任何废物或污染，使其对环境安全，并被视为绿色能源收集系统。

碲化铋、Bi₂Te₃ 及其合金仍然是最重要的一类 TE 材料。即使在热电发电中，例如废热回收，Bi₂Te₃ 合金也因其在高达 200 °C⁴ 的出色效率而最常用，并且尽管各种 TE 材料的 zT 值超过 2，但在环境温度下仍然是一种出色的 TE 材料⁵。已发表的几篇论文研究了该材料的TE性质，表明化学计量Bi₂Te₃具有负塞贝克系数^6,7,8，^表明n....

研究方案

1. 基材制备

1. 用无绒布擦拭玻璃基材，以去除松散的污垢或碎屑。用水和肥皂清洗玻璃基板，用刷子擦洗玻璃上的任何污垢。
2. 在烧杯中制备下面列出的所有溶剂，将玻璃基板浸入溶剂中，并在37kHz下相应地超声处理。在80°C下制备甲醇10分钟;丙酮在80°C下10分钟，乙醇在80°C下10分钟，蒸馏（DI）水在80°C下20分钟。
   注意： 在通风橱中处理高挥发性化学品。
3. 用镊子将基材从烧杯中逐个取出，放在干净平坦的表面上，用镊子压住基材，用氮气吹干。
4. 将底物放在120°C的热板上5-10分钟以蒸发任何残留物。将基材放入紫外线臭氧清洁剂中10分钟。

2.溅射法

1. 腔室准备
   1. 从枪上取下铝制护罩，将目标材料放在盖子的中心。拧紧磁控管支架上的盖子，然后放回铝制屏蔽罩。用铝箔盖住腔室、喷枪和样品架的主体。
   2. 通过触摸腔体（短）之间的万用表探头进行短路检查，然后是腔体和枪（短），最后是腔体和目标（打开）。该测试对于确保主体（阳极）和目标（阴极）之间没有电流泄漏是必要的，这会阻碍等离子体的形成。
2. 预溅射
   1. 关上门并用真空吸尘室吸尘 15 - 30 分钟。在吸尘开始时将门和机身压在一起，以确保门紧闭。确保压力表的读数正在递减。

讨论

本文介绍的技术在设置设备和实施方面没有重大困难。但是，需要强调几个关键步骤。如协议的步骤2.2.10所述，最佳真空条件是生产污染较少的高质量薄膜的关键，因为真空可以去除腔室³⁷中的残留氧气。氧气的存在会导致薄膜出现裂纹，称为应力开裂，表明高真空系统在溅射过程中^{的重要性38}。这也减少了原子³⁹ 从靶材到基板的运动中与残余.......

材料

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	-