该论文描述了一种在玻璃基底上通过射频磁控溅射法沉积Bi2Te3和Sb2Te3热电薄膜的实验方案，该方法是一种可靠的沉积技术，具有广泛的应用前景，并具备进一步发展的潜力。
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本文内容
摘要
摘要
通过对热电（TE）材料的多项研究发现，与传统的块体热电材料相比，薄膜构型具有显著优势，包括能够适应弯曲和柔性基底。尽管已探索了多种不同的薄膜沉积方法，但磁控溅射因其高沉积效率和可扩展性仍备受青睐。因此，本研究旨在通过射频（RF）磁控溅射法来制备碲化铋（Bi2Te3）和碲化锑（Sb2Te3）薄膜。薄膜在室温下沉积于钠钙玻璃基底上。基底首先用清水和洗涤剂清洗，随后分别在甲醇、丙酮、乙醇和去离子水中进行10分钟的超声清洗，再用氮气和加热板干燥，最后在镀膜前进行10分钟的紫外臭氧处理以去除残留物。采用Bi2Te3和Sb2Te3溅射靶材并在氩气氛围中进行溅射，先进行预溅射以清洁靶材表面。然后将数个洁净的基底装入溅射腔室，并将腔室抽真空至压力达到2 × 10-5 Torr。在氩气流量为4 sccm、RF功率分别为75 W（Bi2Te3）和30 W（Sb2Te3）的条件下，沉积时间为60分钟。该方法成功制备出高度均匀的n型Bi2Te3和p型Sb2Te3薄膜。
引言
热电（TE）材料因其能够通过塞贝克效应将热能转化为电能1，以及通过珀尔帖效应实现制冷2，而受到广泛关注。热电材料的转换效率取决于热电臂热端与冷端之间的温差。通常情况下，温差越大，热电优值越高，其效率也越高3。热电转换过程无需额外的机械部件，也不涉及气体或液体，不产生废弃物或污染，因此对环境无害，被视为一种绿色能源收集系统。
碲铋（Bi2Te3）及其合金仍是最重要的热电材料类别。即使在热电发电应用中，例如废热回收，Bi2Te3 合金也因其在高达 200 °C 下的优异效率而被最广泛使用4，并且尽管多种热电材料的 zT 值已超过 2，它在室温下仍是一种优异的热电材料5。已有若干研究论文探讨了该材料的热电性能，结果表明化学计量比的 Bi2Te3 具有负的塞贝克系数6,7,8，表明其具有 n....
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方案
1. 底物制备
- 使用无尘布擦拭玻璃基底，以去除松散的污垢或碎屑。用清水和肥皂清洗玻璃基底，并用刷子刷洗玻璃表面的污物。
- 将下列所列溶剂分别倒入烧杯中，将玻璃基底浸入溶剂中，并在37 kHz条件下进行超声处理。甲醇于80 °C处理10分钟；丙酮于80 °C处理10分钟；乙醇于80 °C处理10分钟；去离子水（DI水）于80 °C处理20分钟。
注意：在通风橱中操作高挥发性化学品。 - 使用镊子逐个从烧杯中取出基底，放置于洁净的平面上，用镊子固定基底，并用氮气吹干。
- 将基底置于120 °C的加热板上加热5–10分钟，以蒸发残留物。随后将基底放入紫外臭氧清洗机中处理10分钟。
2. 溅射法
- 腔室准备
- 取下枪体的铝制屏蔽罩，将靶材置于盖子中心。将盖子紧密地拧在磁控管支架上，并重新装回铝制屏蔽罩。用铝箔覆盖腔室主体、枪体和样品台。
- 使用万用表探针接触腔体之间进行短路检查（应为短路），然后接触腔体与枪体（应为短路），最后接触腔体与靶材（应为开路）。此测试是必要的，以确保腔体（阳极）与靶材（阴极）之间无电流泄漏，否则会阻碍等离子体的形成。
- 预溅射
- 关闭腔室门，对腔室抽真空15–30....
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结果
如图3A和图3B所示，使用场发射扫描电子显微镜（FESEM）记录了沉积态Bi2Te3和Sb2Te3薄膜的横截面显微图像。整体薄膜表面呈现均匀且光滑的形貌。可以看出，Bi2Te3薄膜的晶粒呈六边形，符合Bi2Te3的晶体结构；而Sb2Te3薄膜的晶粒由细小的圆形晶粒组成，与Amirghasemi等人36报道的结果相似。两种样品的横截面图像均显示出致密堆积的颗粒在基底上生长。Bi2Te3和Sb2Te3薄膜的厚度分别为约1.429 ± 0.01 µm和0.424 ± 0.01 µm，且厚度均匀。薄膜的成分通过补充文件1和补充文.......
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讨论
本文所述技术在设备安装和实施过程中并无显著困难。然而，有几个关键步骤需要特别强调。如实验方案第2.2.10步所述，最佳的真空条件对于获得高质量、低污染的薄膜至关重要，因为真空可去除腔室中的残余氧气37。氧气的存在可能导致薄膜产生称为应力开裂的裂纹，这表明在溅射过程中高真空系统的重要性38。此外，真空还能减少原子从靶材向衬底运动过程中与残余气体分子的碰撞39，从而形成高度均匀的薄膜。除此之外，实验方案中的第2.2.2步也十分关键，即通过冷却系统中的水进行热传导，有效散热以确保溅射过程持续进行。该方法使用高电压和大电流，最终表现为靶材发热。若散热不良，可能导致温度超过居里温度，从而导致整个溅射过程失败40。此外，建议在溅射过程中以每10秒增加5 W的速率逐步提高射频功率，直至达到所需功率后再开始计时。此步骤至关重要，可避免因短时间内施加过高功率而导致靶材因热冲击产生裂纹41。
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者感谢马来西亚国民大学研究基金（UKM-GGPM-2022-069）为开展本研究提供的经费支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 丙酮 | Chemiz (M) Sdn. Bhd. | 1910151 | 液体，易燃 |
| 碲化锑，Sb2Te3 | 中国稀有金属材料有限公司 | C120222-0304 | 直径 50.8 mm，厚度 6.35 mm，纯度 99.999% |
| 碲化铋，Bi2Te3 | 中国稀有金属材料有限公司 | CB151208-0501 | 直径 50.8 mm，厚度 4.25 mm，纯度 99.999% |
| 乙醇 | Chemiz (M) Sdn. Bhd. | 2007081 | 液体，易燃 |
| 场发射扫描电子显微镜 | Zeiss | MERLIN | 配备 EDX |
| 霍尔效应测量系统 | Aseptec Sdn. Bhd. | HMS ECOPIA 3000 | - |
| 手持式数字万用表 | Prokits Industries Sdn. Bhd. | 303-150NCS | - |
| HMS-3000 | Aseptec Sdn Bhd. | HMS ECOPIA 3000 | 霍尔效应测量软件 |
| Linseis_TA | Linseis Messgeräte GmbH | LSR-3 | Linseis 热分析软件 |
| 甲醇 | Chemiz (M) Sdn. Bhd. | 2104071 | 液体，易燃 |
| 射频-直流磁控溅射系统 | Kurt J. Lesker Company | - | 定制混合系统 |
| 塞贝克系数测量系统 | Linseis Messgeräte GmbH | LSR-3 | - |
| SmartTiff | Carl Zeiss Microscopy Ltd | - | SEM 图像厚度测量软件 |
| 超声波清洗仪 | Fisherbrand | FB15055 | - |
| 紫外臭氧清洗机 | Ossila Ltd | L2002A3-UK | - |
参考文献
- Ochieng, A. O., Megahed, T. F., Ookawara, S., Hassan, H. Comprehensive review in waste heat recovery in different thermal energy-consuming processes using thermoelectric generators for electrical power generation. Proc Safety Environ Prot. 162, 134-154 (2022).
- Shilpa, M. K., et al.
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重印与许可
