Die Autoren möchten sich für die finanzielle Unterstützung durch das Forschungsstipendium der Universiti Kebangsaan Malaysia bedanken: UKM-GGPM-2022-069 für die Durchführung dieser Forschung.

1. Vorbereitung des Untergrunds
<ol><li>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.</li>
	<li>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 Abzug.</li>
	<li>Nehmen Sie die Substrate einzeln mit einer Pinzette aus dem Becherglas, legen Sie sie auf eine saubere ebene Fläche, halten Sie das Substrat mit einer Pinzette fest und blasen Sie es mit Stickstoffgas trocken.</li>
	<li>Legen Sie die Substrate 5-10 Minuten lang bei 120 °C auf eine heiße Platte, um alle Rückstände zu verdampfen. Untergründe für 10 min in UV-Ozon-Reiniger legen.</li>
</ol>2. Sputter-Methode
<ol><li>Vorbereitung der Kammer<ol><li>Nehmen Sie den Aluminiumschild von der Waffe ab und legen Sie das Zielmaterial in die Mitte der Abdeckung. Schrauben Sie die Abdeckung fest auf den Magnetronhalter und setzen Sie die Aluminiumabschirmung wieder ein. Decken Sie den Körper der Kammer, die Pistolen und den Probenhalter mit Aluminiumfolie ab.</li>
		<li>Führen Sie eine Kurzschlussinspektion durch, indem Sie die Sonden eines Multimeters zwischen den Kammerkörpern (kurz), gefolgt vom Kammerkörper und der Pistole (kurz) und schließlich dem Kammerkörper und dem Ziel (offen) berühren. Dieser Test ist notwendig, um sicherzustellen, dass kein Stromverlust zwischen dem Körper (Anode) und dem Ziel (Kathode) auftritt, der die Plasmabildung behindern kann.</li>
	</ol></li>
	<li>Vor-Sputtern<ol><li>Schließen Sie die Tür und saugen Sie die Kammer für 15 - 30 Minuten ab. Drücken Sie die Tür und den Körper zu Beginn des Staubsaugens zusammen, um sicherzustellen, dass die Tür fest geschlossen ist. Stellen Sie sicher, dass der Messwert des Manometers abnimmt.</li>
		<li>Schalten Sie das Kühlsystem ein und stellen Sie es auf 15 °C ein. Schalten Sie die Pumpe und den Kühlknopf ein und öffnen Sie das an das Sputtergerät angeschlossene Ventil. HINWEIS: HF-Sputtern funktioniert nicht ohne Kühlsystem. Die Bildung von Plasma wird nicht stattfinden.</li>
		<li>Stellen Sie den Argonfluss auf 4 sccm ein und schalten Sie den Gaskippschalter ein. Warten Sie, bis der Durchfluss den eingestellten Wert erreicht.</li>
		<li>Stellen Sie die Drehung auf 10 U/min ein und schalten Sie den Rotationskippschalter ein. Drücken Sie die Ein- / Aus-Taste , um den automatisch passenden Netzwerkcontroller und die Hochfrequenz-Stromversorgung einzuschalten.</li>
		<li>Stellen Sie auf dem Netzwerkcontroller für die automatische Anpassung Last und Abstimmung auf jeweils 50 W ein, indem Sie die Min/Max-Taste drücken und die Taste von Manuell auf Auto drücken.</li>
		<li>Stellen Sie am Hochfrequenznetzteil die HF-Leistung auf 50 W ein und drücken Sie die Starttaste . Stellen Sie den Timer auf 15 Minuten.</li>
		<li>Schalten Sie die HF-Leistung und -Drehung aus. Stellen Sie den Argonfluss auf 0 und schalten Sie den Kippschalter aus. Schalten Sie den Staubsauger aus. Anmerkungen: Warten Sie, bis der Argonfluss 0,1 sccm erreicht, bevor Sie das Vakuum ausschalten.</li>
		<li>Entlüften, um die Kammer zu öffnen. Stellen Sie sicher, dass die Turbomolekularpumpe (TMP) ausgeschaltet ist, bevor Sie sie entlüften. Wenn Sie während des TMP-Betriebs entlüften, wird das System beschädigt.</li>
		<li>Öffnen Sie die Kammer und legen Sie die Substrate ein. Platzieren Sie die Substrate an der äußeren Ecke des rotierenden Probenhalters, um eine bessere Abscheidung zu erzielen, wie in Abbildung 1 gezeigt. ACHTUNG: Tragen Sie Maske und Handschuh, wenn Sie das Innere der Kammer handhaben, um das Einatmen kleiner Materialpartikel zu vermeiden.</li>
		<li>Schließen Sie die Tür wie in Abbildung 2 gezeigt und saugen Sie sie mindestens 6 Stunden lang. Ein niedrigerer Basisdruck sorgt für eine bessere Abscheidung. Der optimale Basisdruck für ein Hochvakuumsystem wie z.B. Sputterverfahren beträgt 1 x 10-5 Torr.</li>
	</ol></li>
	<li>Sputtern<ol><li>Schalten Sie das Kühlsystem ein und stellen Sie es auf 15 °C ein. Schalten Sie die Pumpe und den Kühlknopf ein und öffnen Sie das an das Sputtergerät angeschlossene Ventil.</li>
		<li>Stellen Sie die Drehung auf 10 U/min ein und schalten Sie den Rotationskippschalter ein. Stellen Sie den Argonfluss auf 4 sccm ein und schalten Sie den Gaskippschalter ein. Warten Sie, bis der Durchfluss den eingestellten Wert erreicht.</li>
		<li>Drücken Sie die Ein- / Aus-Taste , um den automatisch passenden Netzwerkcontroller und die Hochfrequenz-Stromversorgung einzuschalten.</li>
		<li>Stellen Sie auf dem Netzwerkcontroller für die automatische Anpassung Last und Abstimmung auf jeweils 50 W ein, indem Sie die Min/Max-Taste drücken und die Taste von Manuell auf Auto drücken.</li>
		<li>Stellen Sie am Hochfrequenznetzteil die HF-Leistung auf 50 W ein und drücken Sie die Starttaste . Anmerkungen: Warten Sie, bis der Argonfluss den eingestellten Wert erreicht hat und stabil wird, bevor Sie die HF-Stromversorgung einschalten.</li>
		<li>Überprüfen Sie, ob Plasma in der Kammer vorhanden ist. Die Bildung von Plasma wird durch ein leuchtendes violettes Licht in der Kammer angezeigt. Wenn das Plasma nach dem Einschalten der HF-Stromversorgung nicht vorhanden ist, schalten Sie Argon für 10 s aus und wieder ein. Wiederholen Sie den Vorgang, bis sich Plasma in der Kammer bildet.</li>
		<li>Erhöhen Sie die HF-Leistung schrittweise um 5 W pro 10 s Intervall, bis sie 75 W erreicht. Stellen Sie den Timer auf 60 min.</li>
	</ol></li>
	<li>Nach dem Sputtern<ol><li>Schalten Sie die HF-Leistung und -Drehung aus. Schalten Sie den automatisch passenden Netzwerkcontroller und die Hochfrequenzstromversorgung aus.</li>
		<li>Stellen Sie den Argonfluss auf 0 und schalten Sie den Gaskippschalter aus. Schalten Sie den Staubsauger aus. Anmerkungen: Warten Sie, bis der Argonfluss 0,1 sccm erreicht, bevor Sie das Vakuum ausschalten.</li>
		<li>Entlüften, um die Kammer zu öffnen. Stellen Sie sicher, dass das TMP vor dem Entlüften ausgeschaltet ist. Wenn Sie während des TMP-Betriebs entlüften, wird das System beschädigt.</li>
		<li>Nehmen Sie alle Proben mit einer Pinzette heraus und geben Sie sie in eine saubere Petrischale. ACHTUNG: Tragen Sie Maske und Handschuh, wenn Sie das Innere der Kammer handhaben, um das Einatmen kleiner Materialpartikel zu vermeiden.</li>
		<li>Reinigen Sie die Kammer und saugen Sie sie 10 - 15 Minuten lang, um die Kammer unter Vakuumbedingungen (frei von Verunreinigungen) zu halten.</li>
	</ol></li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66248/66248fig02.jpg"> Abbildung 2: Versuchsaufbau. Foto der in dieser Studie verwendeten Sputtermaschine. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66248/66248fig02large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
3. Charakterisierung
<ol><li>Führen Sie topographische und Querschnittsscans mit dem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FESEM, unter 3,0 kV Betriebsspannung) durch, um die mikrostrukturellen Oberflächendetails und die Dicke der gesputterten Schichten zu erhalten.</li>
	<li>Berechnung der Zusammensetzung der Filme unter Verwendung der Daten der energiedispersiven Röntgenspektren (EDX), die mit dem FESEM verbunden sind. Messen Sie die Hall-Spannung in einem permanenten Magnetfeld von 0,57 T und Sondenströme von 0,8 mA bzw. 10 mA für Sb2Te3 und Bi2Te3, um die Trägerkonzentration und Leitfähigkeit der Schichten35 zu erhalten.</li>
	<li>Führen Sie eine Messung des Seebeck-Koeffizienten in der Ebene mit einem ähnlichen Instrument durch, das von Isotta et al.5 verwendet wird. Montieren Sie Proben mit einer rechteckigen Geometrie von ca. 2 cm x 1,25 cm auf dem Aufbau. Messen Sie den absoluten Seebeck-Koeffizienten in 2-Kontakt-Konfiguration gegen einen Pt-Standard mit einem Temperaturgradienten von ≈25 °C.</li>
</ol>

Abscheidung von Bi2Te3 und Sb2Te3 Dünnschichten auf Glassubstraten mittels HF-Sputtern

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

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...

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 einbeziehen, wodurch kein Abfall oder Umweltverschmutzung entsteht, was es umweltfreundlich macht und als grünes Energiegewinnungssystem gilt.
Wismuttellurid, Bi2Te3 und seine Legierungen sind nach wie vor die wichtigste Klasse von TE-Materialien. Auch in der thermoelektrischen Energieerzeugung, wie z. B. der Rückgewinnung von Abwärme, werden Bi2Te3-Legierungen aufgrund ihres überlegenen Wirkungsgrads von bis zu 200 °C am häufigstenverwendet 4 und bleiben trotz des zT-Wertes von mehr als 2 in verschiedenen TE-Materialien bei Umgebungstemperatur ein ausgezeichneter TE-Werkstoff5. Mehrere veröffentlichte Arbeiten haben die TE-Eigenschaften dieses Materials untersucht, was zeigt, dass das stöchiometrische Bi2Te3 einen negativen Seebeck-Koeffizientenvon 6,7,8 aufweist, was auf n-Typ-Eigenschaften hinweist. Diese Verbindung kann jedoch durch Legieren mit Antimontellurid (Sb2Te3) bzw. Wismutselenid (Bi2Se3) auf p- und n-Typ eingestellt werden, was ihre Bandlücke vergrößern und bipolare Effekte reduzieren kann9.
Antimontellurid, Sb2Te3 ist ein weiteres etabliertes TE-Material mit hoher Gütezahl bei niedrigen Temperaturen. Während stöchiometrisches Bi2Te3 ein großartiger TE mit n-Typ-Eigenschaften ist, hat Sb2Te3 p-Typ-Eigenschaften. In einigen Fällen hängen die Eigenschaften von TE-Materialien oft von der atomaren Zusammensetzung des Materials ab, wie z. B. dem n-Typ Te-rich Bi2Te3, aber einem p-Typ Bi-richBi 2Te3 aufgrund von Bi Te-Antisite-Akzeptordefekten4. Sb2Te3 ist jedoch aufgrund der vergleichsweise geringen Bildungsenergie von SbTe Antisite-Defekten immer p-Typ, selbst in Te-reichem Sb2Te34. Somit werden diese beiden Materialien zu geeigneten Kandidaten für die Herstellung von p-n-Modulen eines thermoelektrischen Generators für verschiedene Anwendungen.
Die derzeitigen konventionellen TEGs bestehen aus gewürfelten Barren von n-Typ- und p-Typ-Halbleitern, die vertikal in Reihe10 geschaltet sind. Sie wurden aufgrund ihres geringen Wirkungsgrads und ihrer sperrigen, starren Natur nur in Nischenbereichen eingesetzt. Im Laufe der Zeit haben Forscher begonnen, Dünnschichtstrukturen für eine bessere Leistung und Anwendung zu erforschen. Es wird berichtet, dass Dünnschicht-TE Vorteile gegenüber ihrem sperrigen Gegenstück haben, wie z. B. höhere zT aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit11,12, weniger Materialmenge und einfachere Integration in integrierte Schaltkreise12. Infolgedessen ist die Nischenforschung von TE zu thermoelektrischen Dünnschichtbauelementen auf dem Vormarsch und profitiert von den Vorteilen der Nanomaterialstruktur13,14.
Die Mikrofabrikation von Dünnschichten ist wichtig, um Hochleistungsmaterialien von TE zu erhalten. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Abscheidungsansätze erforscht und entwickelt, darunter die chemische Gasphasenabscheidung15, die Atomlagenabscheidung 16,17, die gepulste Laserabscheidung 18,19,20, der Siebdruck 8,21 und die Molekularstrahlepitaxie22. Die meisten dieser Techniken leiden jedoch unter hohen Betriebskosten, komplexen Wachstumsprozessen oder komplizierter Materialvorbereitung. Im Gegensatz dazu ist das Magnetron-Sputtern ein kostengünstiger Ansatz zur Herstellung hochwertiger dünner Schichten, die dichter sind, eine kleinere Korngröße aufweisen, eine bessere Haftung aufweisen und eine hohe Gleichmäßigkeit aufweisen 23,24,25.
Das Magnetron-Sputtern ist eines der plasmabasierten PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition), das in verschiedenen industriellen Anwendungen weit verbreitet ist. Der Sputterprozess funktioniert, wenn eine ausreichende Spannung an ein Target (Kathode) angelegt wird, Ionen aus dem Glimmentladungsplasma das Target bombardieren und nicht nur Sekundärelektronen, sondern auch Atome der Kathodenmaterialien freisetzen, die schließlich auf die Oberfläche des Substrats treffen und zu einem dünnen Film kondensieren. Das Sputterverfahren wurde erstmals in den 1930er Jahren kommerzialisiert und in den 1960er Jahren verbessert und gewann aufgrund seiner Fähigkeit, eine breite Palette von Materialien mit Gleichstrom (DC) und HF-Sputtern abzuscheiden, erhebliches Interesse26,27. Das Magnetron-Sputtern überwindet eine niedrige Abscheidungsrate und eine hohe Substraterwärmung durch die Nutzung eines Magnetfelds. Der starke Magnet schließt die Elektronen im Plasma an oder nahe der Oberfläche des Targets ein und verhindert eine Beschädigung des gebildeten Dünnfilms. Diese Konfiguration bewahrt die Stöchiometrie und die Dickengleichmäßigkeit des abgeschiedenen Dünnfilms28.
Die Herstellung von thermoelektrischen Bi2Te3- und Sb2Te 3-Dünnschichten unter Verwendung des Magnetron-Sputterverfahrens wurde ebenfalls ausgiebig untersucht, wobei Techniken wie Dotierung4, 29, 30 und Glühen31 in die Verfahren integriert wurden, was zu unterschiedlicher Leistung und Qualität führte. Die Studie von Zheng et al.32 verwendet eine thermisch induzierte Diffusionsmethode, um Ag-dotierte Bi- und Te-Schichten zu diffundieren, die separat gesputtert wurden. Diese Methode ermöglicht eine präzise Kontrolle der Zusammensetzung der dünnen Schichten und die Diffusion von Te durch thermische Induktion schützt das Te vor der Verflüchtigung. Die Eigenschaften der dünnen Schichten können auch durch das Vorbeschichtungsverfahren33 vor dem Sputtern verbessert werden, was zu einer besseren elektrischen Leitfähigkeit aufgrund der hohen Ladungsträgerbeweglichkeit führt, wodurch der Leistungsfaktor erhöht wird. Abgesehen davon verbesserte die Studie von Chen et al.34 die thermoelektrische Leistung von gesputtertem Bi2Te3 durch Dotierung von Se über die Diffusionsreaktionsmethode nach der Selenisierung. Während des Prozesses verdampft Se und diffundiert in die Bi-Te-Dünnschichten, um Bi-Te-Se-Filme zu bilden, was zu einem 8-fach höheren Leistungsfaktor führt als undotiertes Bi2Te3.
Dieser Artikel beschreibt unseren experimentellen Aufbau und unser Verfahren für die HF-Magnetron-Sputtertechnik zur Abscheidung von Bi2Te3 und Sb2Te3 Dünnschichten auf Glassubstraten. Das Sputtern wurde in einer Top-Down-Konfiguration durchgeführt, wie im schematischen Diagramm in Abbildung 1 gezeigt, die Kathode wurde in einem Winkel zur Substratnormalen montiert, was zu einem konzentrierteren und konvergenten Plasma zum Substrat führte. Die Schichten wurden systematisch mit Hilfe von FESEM-, EDX-, Hall-Effekt- und Seebeck-Koeffizientenmessungen charakterisiert, um ihre Oberflächenmorphologie, Dicke, Zusammensetzung und thermoelektrischen Eigenschaften zu untersuchen.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66248/66248fig01.jpg"> Abbildung 1: Ein Schema des Top-Down-Konfigurations-Sputters. Das Diagramm wurde in Übereinstimmung mit der tatsächlichen Sputterkonfiguration, die für diese Studie zur Verfügung stand, einschließlich der Anordnung der zu sputternden Glassubstrate von oben betrachtet, jedoch nicht maßstabsgetreu entworfen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66248/66248fig01large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</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

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.

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>

Autor im Rampenlicht: Fortschritte bei thermoelektrischen Hochleistungs-Dünnschichten durch Hochfrequenz-Magnetron-Sputtern

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

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.

Mikroskopische Querschnittsaufnahmen von abgeschiedenen Bi2Te3- und Sb2Te 3-Dünnschichten wurden mit FESEM aufgenommen, wie in Abbildung 3A bzw. Abbildung 3B dargestellt. Die Oberfläche der Gesamtfolie wirkt gleichmäßig und glatt. Es ist offensichtlich, dass die Kristallkörner des Bi2Te3 Dünnfilms hexagonal waren und der Kristallstruktur von Bi2Te3 entsprachen, während...

Das Manuskript beschreibt ein Protokoll für das Hochfrequenz-Magnetron-Sputtern von thermoelektrischen Bi2Te3 - und Sb2Te3-Dünnschichten auf Glassubstraten, das eine zuverlässige Abscheidungsmethode darstellt, die ein breites Anwendungsspektrum mit dem Potenzial für eine weitere Entwicklung bietet.

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

Unsere Forschung konzentriert sich auf die Herstellung hochwertiger Dünnschichten für thermoelektrische Generatoren, um Abwärme zurückzugewinnen und in Strom umzuwandeln. Verschiedene Dünnschichtabscheidungstechniken wurden erforscht und entwickelt, darunter das Hochfrequenz-Magnetron-Sputtern, das in der Lage ist, hochdichte, robuste Dünnschichten mit besserer Haftung und hoher Gleichmäßigkeit zu erzeugen. Diese Methode erfordert kein Schmelzen und Verdampfen der Zielmaterialien, so dass die meisten Materialien unabhängig von ihrer Schmelztemperatur abgeschieden werden können, was sie anderen physikalischen Gasphasenabscheidungstechnologien überlegen macht.

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 Aufrufe.  Universiti Kebangsaan Malaysia. Unsere Forschung konzentriert sich auf die Herstellung hochwertiger Dünnschichten für thermoelektrische Generatoren, um Abwärme zurückzugewinnen und in Strom umzuwandeln. Verschiedene Dünnschichtabscheidungstechniken wurden erforscht und entwickelt, darunter das Hochfrequenz-Magnetron-Sputtern, das in der Lage ist, hochdichte, robuste Dünnschichten mit besserer Haftung und hoher Gleichmäßigkeit zu erzeugen. Diese Methode erfordert kein Schmelzen und Verdampfen der Zielmaterialien, so ...

Serie: Autor im Rampenlicht: Fortschritte bei thermoelektrischen Hochleistungs-Dünnschichten durch Hochfrequenz-Magnetron-Sputtern

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.

Forschung

Ingenieurwesen

Radio Frequency Magnetron Sputtering of Bi2Te3 and Sb2Te3 Thermoelectric Thin Films on Glass Substrates

Hochfrequenz-Magnetron-Sputtern von thermoelektrischenBi-2-,Te3- und Sb2-Te3-Dünnschichten auf Glassubstraten