高周波マグネトロンスパッタリング法を用いたBi2Te3およびSb2Te3熱電薄膜の作製

要約

この論文では、ガラス基板上のBi₂Te₃ およびSb₂Te₃ 熱電薄膜の高周波マグネトロンスパッタリングのプロトコルが記載されており、これは信頼性の高い堆積法であり、さらなる開発の可能性を秘めた幅広いアプリケーションを提供します。

要約

熱電(TE)材料に関するさまざまな研究を通じて、薄膜構造は、曲面基板やフレキシブル基板への適応性など、従来のバルクTEよりも優れた利点を提供します。いくつかの異なる薄膜堆積法が検討されてきましたが、マグネトロンスパッタリングは、その高い成膜効率と拡張性のために依然として有利です。そこで、本研究では、テルル化ビスマス(Bi2 Te₃)とテルル化アンチモン(_Sb2Te₃)の薄膜を高周波(RF)マグネトロンスパッタリング法で作製することを目的とする。薄膜は、常温でソーダライムガラス基板上に堆積しました。基板を最初に水と石鹸で洗浄し、メタノール、アセトン、エタノール、脱イオン水で10分間超音波洗浄し、窒素ガスとホットプレートで乾燥させ、最後にUVオゾンで10分間処理して残留物を除去してからコーティングプロセスを行いました。_Bi2Te3と_Sb2Te3のアルゴンガスによるスパッタリングターゲットを用い、ターゲット表面を洗浄するためにプレスパッタリングを行った。次に、いくつかのクリーンな基板をスパッタリングチャンバーにロードし、圧力が2 x ^10-5 Torrに達するまでチャンバーを真空にしました。薄膜を、_Bi2Te₃および_Sb2Te₃について、それぞれ75Wおよび30Wの4sccmのアルゴンフローおよびRF電力で60分間堆積した。この方法により、非常に均一なn型Bi2Te3およびp型_Sb2Te3薄膜が得られました。

概要

熱電(TE)材料は、ゼーベック効果¹ やペルチェ冷却²による冷蔵によって熱エネルギーを電気に変換する能力について、多くの研究関心を集めています。TE材料の変換効率は、TEレッグのホットエンドとコールドエンドの温度差によって決まります。一般に、温度差が大きいほど、TEの性能指数が高くなり、効率が高くなります³。TE は、プロセス中に気体や液体を含む追加の機械部品を必要とせず、廃棄物や汚染を発生させないため、環境に安全で、グリーン エネルギー ハーベスティング システムと見なされています。

テルル化ビスマス、Bi₂Te₃、およびその合金は、TE材料の最も重要なクラスです。廃熱の回収などの熱電発電においても、Bi₂Te₃合金は、200^°C4までの優れた効率のために最も一般的に使用されており、さまざまなTE^材料のzT値が2を超えるにもかかわらず、周囲温度で優れたTE材料であり続けています5。いくつかの発表された論文は、この材料のTE特性を研究しており、化学量論Bi₂Te₃が負....

プロトコル

1. 基板の準備

1. 糸くずの出ない布でガラス基板を拭いて、緩んだ汚れや破片を取り除きます。ガラス基板を水と石鹸で洗い、ブラシを使用してガラスの汚れをこすります。
2. 以下にリストされているすべての溶媒をビーカーに調製し、ガラス基板を溶媒に浸し、それに応じて37kHzで超音波処理します。メタノールを80°Cで10分間調製します。アセトン、80°C、10分、エタノール、80°C、20分、80°C、蒸留水(DI)
   注意: 揮発性の高い化学物質はドラフト内で取り扱ってください。
3. ピンセットでビーカーから基板を1枚ずつ取り出し、清潔な平らな面に置き、ピンセットで基板を押さえ、乾くまで窒素ガスで吹き付けます。
4. 基板を120°Cのホットプレートに5〜10分間置き、残留物を気化させます。基板をUVオゾンクリーナーに10分間入れます。

2. スパッタリング法

1. チャンバーの準備
   1. 銃からアルミシールドを外し、カバーの中央にターゲット材を置きます。マグネトロンホルダーのカバーをしっかりとねじ込み、アルミシールドを元に戻します。チャンバー、ガン、サンプルホルダーの本体をアルミホイルで覆います。
   2. チャンバー本体(ショート)の間にマルチメータのプローブを接触させ、次にチャンバー本体とガン(ショ....

ディスカッション

このホワイト ペーパーで紹介する手法は、機器のセットアップと実装に大きな困難はありません。ただし、いくつかの重要なステップを強調する必要があります。プロトコルのステップ2.2.10で述べたように、真空がチャン^バー37内の残留酸素を除去するため、汚染の少ない高品質の薄膜を製造するには、最適な真空条件が鍵となる。酸素の存在は、応力亀裂と呼ばれる膜に?.......

資料

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	-