Fabbricazione di film sottili termoelettrici Bi2Te3 e Sb2Te3 utilizzando la tecnica di sputtering magnetron a radiofrequenza

Riepilogo

Il manoscritto descrive un protocollo per lo sputtering magnetron a radiofrequenza di film sottili termoelettrici Bi₂Te₃ e Sb₂Te₃ su substrati di vetro, che rappresenta un metodo di deposizione affidabile che fornisce una vasta gamma di applicazioni con il potenziale per un ulteriore sviluppo.

Abstract

Attraverso vari studi sui materiali termoelettrici (TE), la configurazione a film sottile offre vantaggi superiori rispetto ai TE sfusi convenzionali, inclusa l'adattabilità a substrati curvi e flessibili. Sono stati esplorati diversi metodi di deposizione di film sottili, ma lo sputtering del magnetron è ancora favorevole grazie alla sua elevata efficienza di deposizione e scalabilità. Pertanto, questo studio mira a fabbricare un film sottile di tellururo di bismuto (Bi₂Te₃) e tellururo di antimonio (Sb₂Te₃) tramite il metodo di sputtering del magnetron a radiofrequenza (RF). I film sottili sono stati depositati su substrati di vetro sodico-calcico a temperatura ambiente. I substrati sono stati prima lavati con acqua e sapone, puliti ad ultrasuoni con metanolo, acetone, etanolo e acqua deionizzata per 10 minuti, asciugati con azoto gassoso e piastra riscaldante e infine trattati con ozono UV per 10 minuti per rimuovere i residui prima del processo di rivestimento. È stato utilizzato un bersaglio sputter di Bi₂Te₃ e Sb₂Te₃ con gas Argon ed è stato eseguito il pre-sputtering per pulire la superficie del bersaglio. Quindi, alcuni substrati puliti sono stati caricati nella camera di sputtering e la camera è stata aspirata fino a quando la pressione non ha raggiunto 2 x ^10-5 Torr. I film sottili sono stati depositati per 60 minuti con flusso di Argon di 4 sccm e potenza RF a 75 W e 30 W rispettivamente per Bi₂Te₃ e Sb₂Te₃. Questo metodo ha portato a film sottili Bi₂Te₃ di tipo n altamente uniformi e Sb₂Te₃ di tipo p altamente uniformi.

Introduzione

I materiali termoelettrici (TE) hanno suscitato un notevole interesse da parte della ricerca per quanto riguarda la loro capacità di convertire l'energia termica in elettricità attraverso l'effetto Seebeck¹ e la refrigerazione tramite il raffreddamento di Peltier². L'efficienza di conversione del materiale TE è determinata dalla differenza di temperatura tra l'estremità calda della gamba TE e l'estremità fredda. Generalmente, maggiore è la differenza di temperatura, maggiore è la cifra di merito TE e maggiore è la sua efficienza³. TE funziona senza la necessità di parti mecca....

Protocollo

1. Preparazione del substrato

1. Pulire i substrati di vetro con un panno privo di lanugine per rimuovere lo sporco o i detriti. Lavare i substrati di vetro con acqua e sapone, utilizzare una spazzola per strofinare lo sporco sul vetro.
2. Preparare tutti i solventi elencati di seguito in becher, immergere i substrati di vetro nel solvente e sonicare di conseguenza a 37 kHz. Preparare il metanolo a 80 °C per 10 min; acetone a 80 °C per 10 min, etanolo a 80 °C per 10 min, acqua distillata (DI) a 80 °C per 20 min.
   ATTENZIONE: Maneggiare sostanze chimiche altamente volatili in una cappa aspirante.
3. Estrarre i substrati dal beche....

Discussione

La tecnica presentata in questo documento non presenta difficoltà significative nell'impostazione e nell'implementazione dell'apparecchiatura. Tuttavia, è necessario evidenziare diversi passaggi critici. Come accennato nella fase 2.2.10 del protocollo, una condizione di vuoto ottimale è fondamentale per produrre film sottili di alta qualità con una minore contaminazione, poiché il vuoto rimuove l'ossigeno residuo nella camera³⁷. La presenza di ossigeno può causare crepe nei film chiamate str.......

Materiali

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	-