Forfatterne ønsker å anerkjenne den økonomiske støtten fra Universiti Kebangsaan Malaysia forskningsstipend: UKM-GGPM-2022-069 for å utføre denne forskningen.

1. Forberedelse av underlag
<ol><li>Tørk glassunderlagene med lofri klut for å fjerne løs smuss eller rusk. Vask glassunderlag med vann og såpe, bruk børsten til å skrubbe smuss på glasset.</li>
	<li>Forbered alle løsningsmidler som er oppført nedenfor i begerglass, senk glasssubstratene i løsningsmidlet og soniker tilsvarende ved 37 kHz. Tilberede metanol ved 80 °C i 10 minutter; aceton ved 80 °C i 10 minutter, etanol ved 80 °C i 10 minutter, destillert (DI) vann ved 80 °C i 20 minutter....

Avsetning av Bi2Te3 og Sb2Te3 tynne filmer på glassunderlag via RF-forstøvning

Teknikken som presenteres i denne artikkelen gir ingen betydelige problemer med å sette opp utstyret og implementeringen. Imidlertid må flere kritiske trinn fremheves. Som nevnt i trinn 2.2.10 i protokollen, er optimal vakuumtilstand nøkkelen til å produsere tynne filmer av høy kvalitet med mindre forurensning ettersom vakuum fjerner gjenværende oksygen i kammeret37. Tilstedeværelsen av oksygen kan forårsake sprekker i filmene som kalles spenningssprekking, noe som indikerer viktigheten av...

Termoelektriske (TE) materialer har tiltrukket seg en betydelig forskningsinteresse angående deres evne til å konvertere termisk energi til elektrisitet via Seebeck-effekten1 og kjøling via Peltier-kjøling2. Konverteringseffektiviteten til TE-materialet bestemmes av temperaturforskjellen mellom den varme enden av TE-benet og den kalde enden. Generelt, jo høyere temperaturforskjell, jo høyere TE-fortjeneste og jo høyere effektivitet3. TE arbeider uten krav til ekstra mekaniske deler som involverer gass eller væske i prosessen, og produserer ikke avfall eller forurensning, noe som gjør det miljøsikkert og betraktet som et grønt energihøstingssystem.
Vismuttellurid, Bi2Te3, og dets legeringer forblir den viktigste klassen av TE-materiale. Selv i termoelektrisk kraftproduksjon, som gjenvinning av spillvarme, brukes Bi2Te 3-legeringer oftest på grunn av deres overlegne effektivitet opp til 200 ° C4 og forblir et utmerket TE-materiale ved omgivelsestemperatur til tross for zT-verdien på mer enn 2 i forskjellige TE-materialer5. Flere publiserte artikler har studert TE-egenskapene til dette materialet, som viser at den støkiometriske Bi2Te3 har en negativ Seebeck-koeffisient 6,7,8, noe som indikerer n-type egenskaper. Imidlertid kan denne forbindelsen justeres til p- og n-type ved legering med henholdsvis antimontellurid (Sb2Te3) og vismut selenid (Bi2Se3), noe som kan øke båndgapet og redusere bipolare effekter9.
Antimontellurid, Sb2Te3 er et annet veletablert TE-materiale med høy fortjeneste ved lav temperatur. Mens støkiometriske Bi2Te3 er en flott TE med n-type egenskaper, har Sb2Te3 p-type egenskaper. I noen tilfeller er egenskapene til TE-materialer ofte avhengig av atomsammensetningen av materialet som n-type Te-rik Bi2Te3, men en p-type Bi-rik Bi2Te3 på grunn av BiTe antisite akseptor defekter4. Imidlertid er Sb2Te3 alltid p-type på grunn av relativt lav dannelsesenergi av SbTe antisittdefekter, selv i Te-rik Sb2Te34. Dermed blir disse to materialene egnede kandidater til å fremstille pn-modul av termoelektrisk generator for ulike applikasjoner.
De nåværende konvensjonelle TEG-ene er laget av terninger av halvledere av n-type og p-type koblet vertikalt i serie10. De har bare blitt brukt i nisjefelt på grunn av deres lave effektivitet og klumpete, stive natur. Over tid har forskere begynt å utforske tynnfilmstrukturer for bedre ytelse og anvendelse. Det er rapportert at tynnfilm TE har fordeler i forhold til deres klumpete motstykke som høyere zT på grunn av deres lave varmeledningsevne11,12, mindre mengde materiale og enklere integrering med integrert krets12. Som et resultat har nisje TE-forskning på tynnfilm termoelektriske enheter vært på vei oppover, og drar nytte av fordelene med nanomaterialstruktur13,14.
Mikrofabrikasjon av tynnfilm er viktig for å oppnå TE-materialer med høy ytelse. Ulike avsetningsmetoder har blitt undersøkt og utviklet, inkludert kjemisk dampavsetning15, atomlagsavsetning16,17, pulserende laseravsetning 18,19,20, silketrykk 8,21 og molekylær stråleepitaksi22 for å tjene dette formålet. Imidlertid lider de fleste av disse teknikkene av høye driftskostnader, kompleks vekstprosess eller komplisert materialforberedelse. Tvert imot er magnetronforstøvning en kostnadseffektiv tilnærming for å produsere tynne filmer av høy kvalitet som er tettere, har mindre kornstørrelse, har bedre vedheft og høy ensartethet 23,24,25.
Magnetron sputtering er en av de plasmabaserte fysiske dampavsetningsprosessene (PVD) som er mye brukt i ulike industrielle applikasjoner. Sputtering prosessen fungerer når tilstrekkelig spenning påføres et mål (katode), ioner fra glødutladningen plasma bombarderer målet og frigjør ikke bare sekundære elektroner, men også atomer av katodematerialene som til slutt påvirker overflaten av substratet og kondenserer som en tynn film. Sputtering-prosessen ble først kommersialisert på 1930-tallet og forbedret på 1960-tallet, og fikk betydelig interesse på grunn av sin evne til å deponere et bredt spekter av materialer ved hjelp av likestrøm (DC) og RF-sputtering26,27. Magnetronforstøvningen overvinner lav avsetningshastighet og høy substratoppvarmingspåvirkning ved å utnytte magnetfelt. Den sterke magneten begrenser elektronene i plasmaet på eller nær overflaten av målet og forhindrer skade på den dannede tynnfilmen. Denne konfigurasjonen bevarer støkiometrien og tykkelsesuniformiteten til den avsatte tynnfilmen28.
Fremstillingen av Bi2Te3 og Sb2Te3 termoelektriske tynne filmer ved bruk av magnetron sputtering metode har også blitt grundig studert, innlemme teknikk som doping 4,29,30 og glødning 31 i prosedyrene, noe som fører til forskjellig ytelse og kvalitet. Studie av Zheng et al.32 bruker termisk indusert diffusjonsmetode for å diffundere Ag-dopet Bi og Te lag som ble sputtered separat. Denne metoden muliggjør presis kontroll på sammensetningen av de tynne filmene, og diffusjonen av Te ved termisk induksjon beskytter Te mot å bli fordampet. Egenskapene til de tynne filmene kan også forbedres ved forbeleggsprosess33 før forstøvning, noe som resulterer i bedre elektrisk ledningsevne på grunn av høy bærermobilitet, og dermed forbedrer effektfaktoren. Annet enn det, forbedret studie av Chen et al.34 den termoelektriske ytelsen til sputtered Bi2Te3 ved doping Se via post-selenization diffusjonsreaksjonsmetode. Under prosessen fordamper Se og diffunderer inn i Bi-Te tynne filmer for å danne Bi-Te-Se-filmer, noe som resulterer i 8 ganger høyere effektfaktor enn undoped Bi2Te3.
Dette papiret beskriver vårt eksperimentelle oppsett og prosedyre for RF-magnetronforstøvningsteknikken for å deponere Bi2Te3 og Sb2Te3 tynne filmer på glasssubstrater. Sputtering ble utført ovenfra og ned konfigurasjon som vist i skjematisk diagram i figur 1, katoden ble montert i vinkel mot substratet normalt, noe som førte til et mer konsentrert og konvergent plasma til substratet. Filmene ble systematisk karakterisert ved hjelp av FESEM, EDX, Hall-effekt og Seebeck-koeffisientmåling for å studere overflatemorfologi, tykkelse, sammensetning og termoelektriske egenskaper.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66248/66248fig01.jpg"> Figur 1: Et skjema over konfigurasjonsputteren ovenfra og ned. Diagrammet ble designet i henhold til, men ikke for å skalere, til den faktiske sputteringkonfigurasjonen som er tilgjengelig for denne studien, inkludert arrangementet av glasssubstrater som skal sputteres sett fra toppen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66248/66248fig01large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</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

Gjennom ulike studier på termoelektriske (TE) materialer gir tynnfilmkonfigurasjon overlegne fordeler i forhold til konvensjonelle bulkmaterialer, inkludert tilpasningsevne til buede og fleksible underlag. Flere forskjellige tynnfilmavsetningsmetoder har blitt utforsket, men magnetronforstøvning er fortsatt gunstig på grunn av sin høye avsetningseffektivitet og skalerbarhet. Derfor tar denne studien sikte på å fremstille et vismuttellurid (Bi2Te3) og antimontellurid (Sb2Te3) tynnfilm via radiofrekvens (RF) magnetronsputtering-metoden. De tynne filmene ble avsatt på brus kalkglasssubstrater ved omgivelsestemperatur. Underlagene ble først vasket med vann og såpe, ultralydrengjort med metanol, aceton, etanol og avionisert vann i 10 minutter, tørket med nitrogengass og kokeplate, og til slutt behandlet under UV-ozon i 10 minutter for å fjerne rester før belegningsprosessen. Et sputtermål på Bi2Te3 og Sb2Te3 med argongass ble brukt, og pre-sputtering ble gjort for å rense målets overflate. Deretter ble noen få rene underlag lastet inn i sputteringskammeret, og kammeret ble støvsugd til trykket nådde 2 x 10-5 Torr. De tynne filmene ble deponert i 60 minutter med argonstrømning på 4 sccm og RF-effekt ved henholdsvis 75 W og 30 W for Bi2Te3 og Sb2Te3. Denne metoden resulterte i svært ensartede n-type Bi2Te3 og p-type Sb2Te3 tynne filmer.

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>

Forfatter Spotlight: Fremskritt innen høyytelses termoelektriske tynnfilmer gjennom radiofrekvensmagnetronforstøvning

Fabrikasjon av Bi2Te3 og Sb2Te3 termoelektriske tynne filmer ved bruk av radiofrekvensmagnetron sputtering teknikk

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.

Tverrsnittsmikrografer av avsatte Bi2Te3 og Sb2Te3 tynne filmer ble registrert med FESEM som vist i henholdsvis figur 3A og figur 3B. Overflaten på den samlede filmen virker jevn og glatt. Det er tydelig at krystallkornene i Bi2Te3 tynnfilmen var sekskantede, som samsvarte med krystallstrukturen til Bi2Te3 mens krystallkornene til Sb2Te3 tynnfilmen var ...

Manuskriptet beskriver en protokoll for radiofrekvensmagnetronforstøvning av Bi2Te3 og Sb2Te3 termoelektriske tynne filmer på glasssubstrater, som representerer en pålitelig avsetningsmetode som gir et bredt spekter av applikasjoner med potensial for videreutvikling.

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

Vår forskning fokuserer på å fremstille tynne filmer av høy kvalitet for termoelektriske generatorer for å gjenvinne spillvarme og gjøre den om til elektrisitet. Ulike tynnfilmavsetningsteknikker har blitt undersøkt og utviklet, inkludert radiofrekvensmagnetronforstøvning som er i stand til å produsere høy tetthet, robuste tynne filmer med bedre vedheft og høy ensartethet. Denne metoden krever ikke smelting og fordampning av målmaterialene, slik at de fleste materialer kan avsettes uavhengig av smeltetemperaturen, noe som gjør den overlegen enn andre fysiske dampavsetningsteknologier.

Research

JoVE Journal

Engineering

Fabrication of Bi2Te3 and Sb2Te3 Thermoelectric Thin Films using Radio Frequency Magnetron Sputtering Technique

Fabrikasjon av Bi₂Te₃ og Sb₂Te₃ termoelektriske tynne filmer ved bruk av radiofrekvensmagnetron sputtering teknikk

Abstract