무선 주파수 마그네트론 스퍼터링 기법을 이용한 Bi2 Te3 및 Sb2Te3 열전 박막 제작

요약

이 원고는 유리 기판에 Bi₂Te₃ 및 Sb₂Te₃ 열전 박막의 무선 주파수 마그네트론 스퍼터링에 대한 프로토콜을 설명하며, 이는 추가 개발 가능성과 함께 광범위한 응용 분야를 제공하는 신뢰할 수 있는 증착 방법을 나타냅니다.

초록

열전(TE) 재료에 대한 다양한 연구를 통해 박막 구성은 곡선 및 유연한 기판에 대한 적응성을 포함하여 기존 벌크 TE에 비해 우수한 이점을 제공합니다. 여러 가지 다른 박막 증착 방법이 연구되었지만 마그네트론 스퍼터링은 높은 증착 효율과 확장성으로 인해 여전히 유리합니다. 따라서 본 연구는 무선 주파수(RF) 마그네트론 스퍼터링 방법을 통해 비스무트텔루라이드(Bi2Te3) 및 안티몬 텔루라이드(_Sb2Te3) 박막을 제작하는 것을 목표로 한다. 박막은 상온에서 소다석회 유리 기판 상에 증착되었다. 기판을 먼저 물과 비누를 사용하여 세척하고, 메탄올, 아세톤, 에탄올 및 탈이온수로 10분 동안 초음파로 세척하고, 질소 가스 및 핫 플레이트로 건조하고, 마지막으로 UV 오존하에서 10분 동안 처리하여 코팅 공정 전에 잔류물을 제거하였다. 아르곤 가스를 사용한 Bi2Te₃ 및 Sb₂Te₃의 스퍼터 타겟을 사용하고, 타겟의 표면을 청소하기 위해 사전 스퍼터링을 수행했습니다. 그런 다음, 몇 개의 깨끗한 기판을 스퍼터링 챔버에 로드하고, 압력이 2 x ^10-5 Torr에 도달할 때까지 챔버를 진공 청소기로 청소하였다. 박막은 Bi2Te3 및 _Sb2Te3에 대해 각각 4sccm의 아르곤 흐름 및 75W 및 30W의 RF 전력으로 60분 동안 증착되었습니다. 이 방법은 매우 균일한 n형 Bi2Te3 및p형 _Sb2Te3박막을 생성하였다.

서문

열전(TE) 재료는 제벡 효과(Seebeck effect⁾¹ 를 통해 열 에너지를 전기로 변환하고 펠티에 냉각(Peltier cooling⁾²을 통해 냉각하는 능력과 관련하여 상당한 연구 관심을 끌고 있습니다. TE 재료의 변환 효율은 TE 레그의 핫 엔드와 콜드 엔드 사이의 온도 차이에 의해 결정됩니다. 일반적으로 온도차가 높을수록 TE 성능 지수가 높아지고 효율이 높아^{집니다 3}. TE는 공정에서 가스 또는 액체를 포함하는 추가 기계 부품이 필요 없이 작동하므로 폐기물이나 오염이 발생하지 않아 환경적으로 안전하고 친환경 에너지 수확 시스템으로 간주됩니다.

비스무트 텔루라이드, Bi₂Te₃ 및 그 합금은 TE 재료의 가장 중요한 등급으로 남아 있습니다. 폐열 회수와 같은 열전 발전에서도 Bi2Te₃ 합금은 최대 200 °^C4의 우수한 효율로 인해 가장 일반적으로 사용되며 다양한 TE 재료에서 zT 값이 2 이상임에도 불구하고 상온에서 우수한 TE 재료로 유지됩니다

프로토콜

1. 기판 준비

1. 보푸라기가 없는 천으로 유리 기판을 닦아 느슨한 먼지나 부스러기를 제거합니다. 유리 기판을 물과 비누로 씻고 브러시를 사용하여 유리의 먼지를 문지릅니다.
2. 아래 나열된 모든 용매를 비커에 준비하고 유리 기판을 용매에 담그고 그에 따라 37kHz에서 초음파 처리합니다. 80°C에서 10분 동안 메탄올을 준비합니다. 80°C에서 10분 동안 아세톤, 80°C에서 10분 동안 에탄올, 80°C에서 20분 동안 증류수(DI).
   주의 : 휘발성이 높은 화학 물질을 흄 후드에서 취급하십시오.
3. 핀셋을 사용하여 비커에서 기판을 하나씩 꺼내고 깨끗하고 평평한 표면에 놓고 핀셋으로 기판을 누르고 마를 때까지 질소 가스로 불어냅니다.
4. 기판을 120°C의 열판에 놓고 5-10분 동안 잔류물을 기화시킵니다. 기판을 UV-오존 클리너에 10분 동안 넣습니다.

2. 스퍼터링 방식

1. 챔버 준비
   1. 건에서 알루미늄 실드를 제거하고 대상 재료를 덮개 중앙에 놓습니다. 마그네트론 홀더의 덮개를 단단히 조이고 알루미늄 실드를 다시 끼웁니다. 챔버, 건 및 샘플 홀더의 본체를 알루미늄 호일로 덮....

토론

이 백서에 제시된 기술은 장비 설정 및 구현에 큰 어려움이 없습니다. 그러나 몇 가지 중요한 단계를 강조해야 합니다. 프로토콜의 단계 2.2.10에서 언급한 바와 같이, 최적의 진공 조건은 진공이 챔버(³⁷) 내의 잔류 산소를 제거함에 따라 오염이 적은 고품질 박막을 생산하기 위한 핵심이다. 산소의 존재는 응력 균열이라고 하는 필름에 균열을 일으킬 수 있으며, 이는 스퍼터링 공?.......

자료

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	-