Name: Author Spotlight: Advancements in High-Performance Thermoelectric Thin Films Through Radio Frequency Magnetron Sputtering
Uploaded: 2024-05-17T14:00:00
Description: Through various studies on thermoelectric (TE) materials, thin film configuration gives superior advantages over conventional bulk TEs, including ...

Yazarlar, bu araştırmayı yürütmek için Universiti Kebangsaan Malaysia araştırma hibesi: UKM-GGPM-2022-069'un mali desteğini kabul eder.

1. Yüzey hazırlığı
<ol><li>Gevşek kir veya kalıntıları temizlemek için cam yüzeyleri tüy bırakmayan bir bezle silin. Cam yüzeyleri su ve sabunla yıkayın, camdaki kirleri temizlemek için fırça kullanın.</li>
	<li>Aşağıda listelenen tüm çözücüleri beherlerde hazırlayın, cam alt tabakaları çözücüye batırın ve buna göre 37 kHz'de sonikasyon yapın. Metanolü 80 °C'de 10 dakika hazırlayın; aseton 80 °C'de 10 dakika, etanol 80 °C'de 10 dakika, damıtılmış (DI) su...

Deposition of Bi2Te3 and Sb2Te3 Thin Films on Glass Substrates via RF Sputtering

Bu yazıda sunulan teknik, ekipmanın kurulmasında ve uygulanmasında önemli bir zorluk yaratmamaktadır. Bununla birlikte, birkaç kritik adımın vurgulanması gerekir. Protokolün 2.2.10 adımında belirtildiği gibi, vakum haznedeki artık oksijeni giderdiği için daha az kontaminasyona sahip yüksek kaliteli ince filmler üretmek için optimum vakum koşulu anahtardır37. Oksijenin varlığı, püskürtme işleminde yüksek vakum sisteminin önemini gösteren gerilme çatlaması adı veril...

Termoelektrik (TE) malzemeler, Seebeck etkisi1 yoluyla termal enerjiyi elektriğe dönüştürme ve Peltier soğutma2 yoluyla soğutma yetenekleri konusunda önemli miktarda araştırma ilgisi çekmektedir. TE malzemesinin dönüşüm verimliliği, TE bacağının sıcak ucu ile soğuk ucu arasındaki sıcaklık farkı ile belirlenir. Genel olarak, sıcaklık farkı ne kadar yüksek olursa, TE liyakat rakamı o kadar yüksek ve verimliliği o kadar yüksekolur 3. TE, prosesinde gaz veya sıvı içeren ek mekanik parçalara ihtiyaç duymadan çalışır, atık veya kirlilik üretmez, bu da onu çevre açısından güvenli hale getirir ve yeşil enerji toplama sistemi olarak kabul edilir.
Bizmut tellür, Bi2Te3 ve alaşımları, TE malzemesinin en önemli sınıfı olmaya devam etmektedir. Atık ısının geri kazanımı gibi termoelektrik enerji üretiminde bile, Bi2Te3 alaşımları, 200 ° C'ye kadar üstün verimlilikleri nedeniyle en yaygın olarak kullanılır4 ve çeşitli TE malzemelerinde 2'den fazla zT değerine rağmen ortam sıcaklığında mükemmel bir TE malzemesi olarak kalır5. Yayınlanmış birkaç makale, stokiyometrik Bi2Te3'ün n-tipi özellikleri gösteren negatif bir Seebeck katsayısı 6,7,8'e sahip olduğunu gösteren bu malzemenin TE özelliklerini incelemiştir. Bununla birlikte, bu bileşik, sırasıyla antimon tellür (Sb2Te3) ve bizmut selenit (Bi2Se3) ile alaşımlanarak p ve n tipine ayarlanabilir, bu da bant aralıklarını artırabilir ve bipolar etkileri azaltabilir9.
Antimon tellür, Sb2Te3, düşük sıcaklıkta yüksek liyakat rakamına sahip bir başka köklü TE malzemesidir. Stokiyometrik Bi2Te3, n-tipi özelliklere sahip harika bir TE iken, Sb2Te3, p-tipi özelliklere sahiptir. Bazı durumlarda, TE malzemelerinin özellikleri genellikle n-tipi Te-zengin Bi2Te3 gibi malzemenin atomik bileşimine bağlıdır, ancak BiTe antisit alıcı kusurları nedeniyle p-tipi Bi-zengin Bi2Te3 4. Bununla birlikte, Sb2Te3, Te bakımından zengin Sb2Te34'te bile, SbTe antisit defektlerinin nispeten düşük oluşum enerjisi nedeniyle her zaman p-tipidir. Böylece, bu iki malzeme, çeşitli uygulamalar için termoelektrik jeneratörün pn modülünü imal etmek için uygun adaylar haline gelir.
Mevcut konvansiyonel TEG'ler, seri10'da dikey olarak bağlanmış n-tipi ve p-tipi yarı iletkenlerin doğranmış külçelerinden yapılmıştır. Düşük verimlilikleri ve hacimli, sert yapıları nedeniyle sadece niş alanlarda kullanılmıştır. Zamanla, araştırmacılar daha iyi performans ve uygulama için ince film yapılarını keşfetmeye başladılar. İnce film TE'nin, düşük ısı iletkenliği 11,12, daha az malzeme miktarı ve entegre devre12 ile daha kolay entegrasyonu nedeniyle daha yüksek zT gibi hacimli muadillerine göre avantajları olduğu bildirilmektedir. Sonuç olarak, nanomalzeme yapısının avantajlarından yararlanan ince film termoelektrik cihazlar üzerine niş TE araştırmalarıartmaktadır 13,14.
İnce filmin mikrofabrikasyonu, yüksek performanslı TE malzemeleri elde etmek için önemlidir. Bu amaca hizmet etmek için kimyasal buhar biriktirme15, atomik katman biriktirme 16,17, darbeli lazer biriktirme 18,19,20, serigrafi 8,21 ve moleküler ışın epitaksi22 dahil olmak üzere çeşitli biriktirme yaklaşımları araştırılmış ve geliştirilmiştir. Bununla birlikte, bu tekniklerin çoğu yüksek işletme maliyeti, karmaşık büyüme süreci veya karmaşık malzeme hazırlığından muzdariptir. Aksine, magnetron püskürtme, daha yoğun, daha küçük tane boyutu sergileyen, daha iyi yapışma özelliğine ve yüksek homojenliğe sahip yüksek kaliteli ince filmler üretmek için uygun maliyetli bir yaklaşımdır 23,24,25.
Magnetron püskürtme, çeşitli endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılan plazma bazlı fiziksel buhar biriktirme (PVD) işlemlerinden biridir. Püskürtme işlemi, bir hedefe (katot) yeterli voltaj uygulandığında, kızdırma deşarj plazmasından gelen iyonlar hedefi bombardıman ettiğinde ve sadece ikincil elektronları değil, aynı zamanda sonunda substratın yüzeyini etkileyen katot malzemelerinin atomlarını da serbest bıraktığında çalışır ve ince bir film olarak yoğunlaşır. Püskürtme işlemi ilk olarak 1930'larda ticarileştirilmiş ve 1960'larda geliştirilmiş, doğru akım (DC) ve RF püskürtme26,27 kullanarak çok çeşitli malzemeleri biriktirme kabiliyeti nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Magnetron püskürtme, manyetik alan kullanarak düşük biriktirme hızının ve yüksek alt tabaka ısıtma etkisinin üstesinden gelir. Güçlü mıknatıs, plazmadaki elektronları hedefin yüzeyinde veya yakınında sınırlar ve oluşan ince filmin zarar görmesini önler. Bu konfigürasyon, biriken ince filmin stokiyometrisini ve kalınlık homojenliğinikorur 28.
Magnetron püskürtme yöntemi kullanılarak Bi2Te3 ve Sb2Te3 termoelektrik ince filmlerin hazırlanması da kapsamlı bir şekilde incelenmiş, prosedürlere doping 4,29,30 ve tavlama31 gibi teknikler dahil edilerek farklı performans ve kaliteye yol açmıştır. Zheng ve ark.32 tarafından yapılan çalışma, ayrı ayrı püskürtülen Ag katkılı Bi ve Te tabakasını yaymak için termal olarak indüklenen difüzyon yöntemini kullanır. Bu yöntem, ince filmlerin bileşimi üzerinde hassas kontrol sağlar ve Te'nin termal indüksiyonla difüzyonu, Te'nin uçmasını önler. İnce filmlerin özellikleri, püskürtmeden önce ön kaplama işlemi33 ile de geliştirilebilir, bu da yüksek taşıyıcı hareketliliği nedeniyle daha iyi elektrik iletkenliği ile sonuçlanır ve sonuç olarak güç faktörü artar. Bunun dışında, Chen ve ark.34 tarafından yapılan çalışma, selenizasyon sonrası difüzyon reaksiyonu yöntemi ile Se'yi doping yaparak püskürtülen Bi2Te3'ün termoelektrik performansını iyileştirdi. İşlem sırasında Se buharlaşır ve Bi-Te-Se filmleri oluşturmak için Bi-Te ince filmlere yayılır, bu da katkısız Bi2Te3'ten 8 kat daha yüksek güç faktörü ile sonuçlanır.
Bu makale, Bi2Te3 ve Sb2Te3 ince filmlerini cam yüzeyler üzerine biriktirmek için RF magnetron püskürtme tekniği için deneysel kurulumumuzu ve prosedürümüzü açıklamaktadır. Püskürtme, Şekil 1'deki şematik diyagramda gösterildiği gibi yukarıdan aşağıya bir konfigürasyonda gerçekleştirildi, katot substrat normaline bir açıyla monte edildi, bu da substrata daha konsantre ve yakınsak bir plazmaya yol açtı. Filmler, yüzey morfolojilerini, kalınlıklarını, bileşimlerini ve termoelektrik özelliklerini incelemek için FESEM, EDX, Hall etkisi ve Seebeck katsayısı ölçümü kullanılarak sistematik olarak karakterize edildi.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66248/66248fig01.jpg"> Şekil 1: Yukarıdan aşağıya yapılandırma püskürtme şeması. Diyagram, üstten bakıldığında püskürtülecek cam alt tabakaların düzenlenmesi de dahil olmak üzere, bu çalışma için mevcut olan gerçek püskürtme konfigürasyonuna göre ölçeklendirilmemiş, ancak ölçeklendirilmeyecek şekilde tasarlanmıştır. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66248/66248fig01large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</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

Termoelektrik (TE) malzemeler üzerinde yapılan çeşitli çalışmalar sayesinde, ince film konfigürasyonu, kavisli ve esnek alt tabakalara uyarlanabilirlik de dahil olmak üzere geleneksel dökme TE'lere göre üstün avantajlar sağlar. Birkaç farklı ince film biriktirme yöntemi araştırılmıştır, ancak magnetron püskürtme, yüksek biriktirme verimliliği ve ölçeklenebilirliği nedeniyle hala uygundur. Bu nedenle, bu çalışma, radyo frekansı (RF) magnetron püskürtme yöntemi ile bir bizmut tellürür (Bi2Te3) ve antimon tellür (Sb2Te3) ince filmi üretmeyi amaçlamaktadır. İnce filmler, ortam sıcaklığında soda kireç camı yüzeyleri üzerinde biriktirildi. Yüzeyler önce su ve sabun kullanılarak yıkandı, 10 dakika boyunca metanol, aseton, etanol ve deiyonize su ile ultrasonik olarak temizlendi, nitrojen gazı ve sıcak plaka ile kurutuldu ve son olarak kaplama işleminden önce kalıntıları gidermek için 10 dakika boyunca UV ozon altında muamele edildi. Argon gazı ile Bi2Te3 ve Sb2Te3'lük bir püskürtme hedefi kullanıldı ve hedefin yüzeyini temizlemek için ön püskürtme yapıldı. Daha sonra, püskürtme odasına birkaç temiz alt tabaka yüklendi ve oda, basınç 2 x 10-5 Torr'a ulaşana kadar vakumlandı. İnce filmler, Bi 2 Te3 veSb2Te3 için sırasıyla 75 W ve 30 W'ta 4 sccm Argon akışı ve RF gücü ile 60 dakika boyunca biriktirildi. Bu yöntem, oldukça homojen n-tipi Bi2Te3 ve p-tipi Sb2Te3 ince filmlerle sonuçlandı.

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>

Author Spotlight: Advancements in High-Performance Thermoelectric Thin Films Through Radio Frequency Magnetron Sputtering

Radyo Frekanslı Magnetron Püskürtme Tekniği ile Bi2Te3 ve Sb2Te3 Termoelektrik İnce Filmlerin İmalatı

Çökeltilmiş Bi2Te3 ve Sb2Te3 ince filmlerin kesitsel mikrografları, sırasıyla Şekil 3A ve Şekil 3B'de gösterildiği gibi FESEM kullanılarak kaydedildi. Genel filmin yüzeyi düzgün ve pürüzsüz görünür. Bi2Te3 ince filmin kristal taneciklerinin altıgen olduğu, Bi2Te3'ün kristal yapısına uyduğu, Sb2Te3 ince filmin kristal tanecikleri...

El yazması, Bi2Te3 ve Sb2Te3 termoelektrik ince filmlerin cam yüzeyler üzerine radyo frekansı magnetron püskürtmesi için bir protokolü açıklar ve bu, daha fazla geliştirme potansiyeli olan geniş bir uygulama yelpazesi sağlayan güvenilir bir biriktirme yöntemini temsil eder.

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

Araştırmamız, atık ısıyı geri kazanmak ve elektriğe dönüştürmek için termoelektrik jeneratörler için yüksek kaliteli ince filmler üretmeye odaklanmaktadır. Daha iyi yapışma ve yüksek homojenliğe sahip yüksek yoğunluklu, sağlam ince filmler üretebilen radyo frekansı magnetron püskürtme dahil olmak üzere çeşitli ince film biriktirme teknikleri araştırılmış ve geliştirilmiştir. Bu yöntem, hedef malzemelerin eritilmesini ve buharlaşmasını gerektirmez, bu da malzemelerin çoğunun erime sıcaklıklarından bağımsız olarak biriktirilmesini sağlar, bu da onu diğer fiziksel buhar biriktirme teknolojilerinden üstün kılar.

Research

JoVE Journal

Engineering

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