Herstellung von thermoelektrischen Bi2Te3- und Sb2Te 3-Dünnschichten unter Verwendung der Hochfrequenz-Magnetron-Sputtertechnik

Zusammenfassung

Das Manuskript beschreibt ein Protokoll für das Hochfrequenz-Magnetron-Sputtern von thermoelektrischen Bi₂Te₃ - und Sb₂Te_{3-Dünnschichten} auf Glassubstraten, das eine zuverlässige Abscheidungsmethode darstellt, die ein breites Anwendungsspektrum mit dem Potenzial für eine weitere Entwicklung bietet.

Zusammenfassung

Durch verschiedene Studien zu thermoelektrischen (TE) Materialien bietet die Dünnschichtkonfiguration überlegene Vorteile gegenüber herkömmlichen Massen-TEs, einschließlich der Anpassungsfähigkeit an gekrümmte und flexible Substrate. Es wurden mehrere verschiedene Dünnschichtabscheidungsmethoden untersucht, aber das Magnetron-Sputtern ist aufgrund seiner hohen Abscheidungseffizienz und Skalierbarkeit immer noch günstig. Daher zielt diese Studie darauf ab, einen Wismuttellurid (Bi₂Te₃) und Antimontellurid (Sb₂Te₃) dünnen Film über die Hochfrequenz (RF) Magnetron-Sputtermethode herzustellen. Die dünnen Schichten wurden bei Raumtemperatur auf Kalknatronglassubstraten abgeschieden. Die Substrate wurden zunächst mit Wasser und Seife gewaschen, 10 Minuten lang mit Methanol, Aceton, Ethanol und deionisiertem Wasser ultraschallgereinigt, mit Stickstoffgas und Heizplatte getrocknet und schließlich 10 Minuten lang unter UV-Ozon behandelt, um Rückstände vor dem Beschichtungsprozess zu entfernen. Es wurde ein Sputtertarget aus Bi₂Te₃ und Sb₂Te₃ mit Argongas verwendet, und es wurde vor dem Sputtern die Oberfläche des Targets gereinigt. Dann wurden einige saubere Substrate in die Sputterkammer geladen und die Kammer abgesaugt, bis der Druck 2 x ^10-5 Torr erreichte. Die dünnen Schichten wurden 60 Minuten lang mit einem Argonfluss von 4 sccm und einer HF-Leistung von 75 W bzw. 30 W für Bi₂Te₃ und Sb₂Te₃ abgeschieden. Diese Methode führte zu sehr gleichmäßigen n-Typ-Bi₂Te₃- und p-Typ Sb₂Te 3-Dünnschichten.

Einleitung

Thermoelektrische (TE) Materialien haben ein erhebliches Forschungsinteresse hinsichtlich ihrer Fähigkeit geweckt, Wärmeenergie über den Seebeck-Effekt¹ in Elektrizität umzuwandeln und über die Peltier-Kühlung² zu kühlen. Die Umwandlungseffizienz von TE-Material wird durch den Temperaturunterschied zwischen dem heißen Ende des TE-Schenkels und dem kalten Ende bestimmt. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Temperaturdifferenz, desto höher die TE-Gütezahl und desto höher der Wirkungsgrad³. TE arbeitet ohne zusätzliche mechanische Teile, die Gas oder Flüssigkeit in seinen Prozess e....

Protokoll

1. Vorbereitung des Untergrunds

1. Wischen Sie die Glassubstrate mit einem fusselfreien Tuch ab, um losen Schmutz oder Ablagerungen zu entfernen. Waschen Sie Glassubstrate mit Wasser und Seife und schrubben Sie Schmutz auf dem Glas mit einer Bürste.
2. Bereiten Sie alle unten aufgeführten Lösungsmittel in Bechergläsern vor, tauchen Sie die Glassubstrate in das Lösungsmittel und beschallen Sie sie entsprechend bei 37 kHz. Bereiten Sie Methanol bei 80 °C für 10 min vor; Aceton bei 80 °C für 10 min, Ethanol bei 80 °C für 10 min, destilliertes (DI) Wasser bei 80 °C für 20 min.
   ACHTUNG: Behandeln Sie leicht flüchtige Chemikalien in einem A....

Diskussion

Die in diesem Artikel vorgestellte Technik stellt keine nennenswerten Schwierigkeiten bei der Einrichtung der Ausrüstung und der Implementierung dar. Es müssen jedoch einige kritische Schritte hervorgehoben werden. Wie in Schritt 2.2.10 des Protokolls erwähnt, ist ein optimaler Vakuumzustand der Schlüssel zur Herstellung hochwertiger dünner Schichten mit geringerer Kontamination, da das Vakuum den Restsauerstoff in der Kammer³⁷ entfernt. Das Vorhandensein von Sauerstoff kann Risse in den Schi.......

Materialien

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	-