Fabricação de Filmes Finos Termoelétricos Bi2Te3 e Sb2Te3 utilizando a Técnica de Sputtering por Magnetron de Radiofrequência

Resumo

O manuscrito descreve um protocolo para sputtering de magnetron de radiofrequência de filmes finos termoelétricos Bi₂Te₃ e Sb₂Te₃ sobre substratos de vidro, que representa um método de deposição confiável que fornece uma ampla gama de aplicações com potencial para desenvolvimento posterior.

Resumo

Através de vários estudos sobre materiais termoelétricos (TE), a configuração de filmes finos oferece vantagens superiores em relação aos granéis convencionais, incluindo adaptabilidade a substratos curvos e flexíveis. Vários métodos diferentes de deposição de filmes finos têm sido explorados, mas o magnetron sputtering ainda é favorável devido à sua alta eficiência de deposição e escalabilidade. Portanto, este estudo tem como objetivo fabricar um filme fino de telureto de bismuto (Bi₂Te₃) e telureto de antimônio (Sb₂Te₃) através do método de sputtering de magnetron de radiofrequência (RF). Os filmes finos foram depositados sobre substratos de vidro de cal sodada à temperatura ambiente. Os substratos foram primeiramente lavados com água e sabão, limpos ultrassonicamente com metanol, acetona, etanol e água deionizada por 10 min, secos com gás nitrogênio e placa quente e, finalmente, tratados sob ozônio UV por 10 min para remoção de resíduos antes do processo de recobrimento. Um alvo de pulverização de Bi₂Te₃ e Sb₂Te₃ com gás argônio foi usado, e pré-sputtering foi feito para limpar a superfície do alvo. Em seguida, alguns substratos limpos foram carregados na câmara de sputtering, e a câmara foi aspirada até que a pressão atingisse 2 x ^10-5 Torr. Os filmes finos foram depositados por 60 min com fluxo de argônio de 4 sccm e potência de RF a 75 W e 30 W para Bi₂Te₃ e Sb₂Te₃, respectivamente. Este método resultou em filmes finos altamente uniformes do tipo n Bi₂Te₃ e do tipo p Sb₂Te₃ .

Introdução

Materiais termoelétricos (TE) têm atraído uma quantidade considerável de interesse de pesquisa a respeito de sua capacidade de converter energia térmica em eletricidade via efeito Seebeck¹ e refrigeração via resfriamento Peltier². A eficiência de conversão do material TE é determinada pela diferença de temperatura entre a extremidade quente da perna TE e a extremidade fria. Geralmente, quanto maior a diferença de temperatura, maior a figura de mérito do TE e maior sua eficiência³. A TE trabalha sem a necessidade de peças mecânicas adicionais que envolvam gás ou líquido em seu....

Protocolo

1. Preparação do substrato

1. Limpe os substratos de vidro com pano sem fiapos para remover sujeira solta ou detritos. Lave substratos de vidro com água e sabão, use escova para esfregar qualquer sujeira no vidro.
2. Prepare todos os solventes listados abaixo em béqueres, submerja os substratos de vidro no solvente e sonice de acordo a 37 kHz. Preparar metanol a 80 °C durante 10 min; acetona a 80 °C por 10 min, etanol a 80 °C por 10 min, água destilada (DI) a 80 °C por 20 min.
   CUIDADO: Manuseie produtos químicos altamente voláteis em uma capela de fumaça.
3. Retire os substratos do copo um a um usando um tweezer, coloque em uma....

Discussão

A técnica apresentada neste trabalho não apresenta dificuldades significativas na montagem e implementação do equipamento. No entanto, vários passos críticos precisam ser destacados. Como mencionado na etapa 2.2.10 do protocolo, a condição ideal de vácuo é fundamental para produzir filmes finos de alta qualidade com menos contaminação, pois o vácuo remove o oxigênio residual na câmara³⁷. A presença de oxigênio pode causar fissuras nos filmes denominadas stress cracking, indicando .......

Materiais

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	-