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Artículo de investigación

Mejorando las propiedades termoeléctricas de las películas finas Bi2Te3 mediante el co-sputtering de manganeso

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DOI:

10.3791/71082

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5 de junio de 2026

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1Solar Energy Research Institute (SERI), Universiti Kebangsaan Malaysia, 2Faculty of Science and Technology, Universiti Sains Islam Malaysia, 3Department of Manufacturing and Materials Engineering, Kulliyyah of Engineering, International Islamic University Malaysia

En este artículo

Resumen

Se desarrolló un protocolo de co-sputtering por radiofrecuencia para fabricarpelículas finas de Bi2Te 3 dopadas con manganeso y evaluar cómo la entrada de manganeso influye en las propiedades estructurales y de transporte termoeléctrico. La incorporación moderada de manganeso mejoró la uniformidad de la película y el comportamiento de transporte relacionado con el factor de potencia, mientras que una mayor entrada de manganeso aumentó el desorden estructural y la resistividad.

Resumen

Bi2Te3 sigue siendo un material termoeléctrico de tipo n (TE) de referencia para la conversión de energía a baja temperatura, pero su pequeña banda prohibida puede reducir la eficiencia debido a portadores parásitos generados térmicamente. Se ha explorado el dopaje elemental para mejorar el rendimiento de TE, aunque los estudios sistemáticos sobrepelículas finas Bi2Te 3 dopadas con manganeso (Mn) siguen siendo limitados. En este estudio, se utilizó un flujo de trabajo de co-sputtering de magnetrón por radiofrecuencia para fabricarpelículas delgadas de Bi2Te 3 dopadas con Mn, variando la potencia del objetivo de Mn manteniendo condiciones constantes de deposición Bi2Te3. Se evaluaron las propiedades estructurales, microestructurales, composicionales y de transporte TE mediante difracción de rayos X, microscopía electrónica de barrido por emisión de campo, espectroscopía de rayos X dispersiva de energía y mediciones de transporte dependientes de la temperatura. La difracción de rayos X confirmó la retención de la fase romboédrica Bi2Te3 con una orientación preferida (015), mientras que los desplazamientos máximos hacia valores superiores de 2θ fueron consistentes con la contracción de la red relacionada con Mn. Todas las películas mostraron coeficientes de Seebeck negativos, confirmando conducción tipo n. El aumento del dopaje de Mn aumentó la magnitud del coeficiente de Seebeck pero también incrementó la resistividad eléctrica, demostrando un compromiso con el transporte. La película depositada a 5 W Mn de potencia alcanzó el factor de potencia más alto de 529,33 μW m−1 K−2 a 523 K debido a su baja resistividad combinada con una termopotencia adecuada. Estos resultados demuestran que una incorporación moderada de Mn puede mejorar el rendimiento relacionado con el factor de potencia de las películas finas Bi2Te3 dentro del rango de temperatura medido.

Introducción

Los materiales termoeléctricos (TE) desempeñan un papel crucial en la conversión sostenible del calor en energía eléctrica, principalmente a través de los efectos Seebeck y Peltier. El rendimiento de los materiales TE se evalúa típicamente usando el factor de potencia (PF = S2/ρ), donde S es el coeficiente de Seebeck y ρ es la resistividad eléctrica 1,2. Un alto S junto con un ρ bajo indica un transporte de portador eficiente, esencial para aplicaciones como la recuperación de calor residual, la generación de microenergía y el enfriamiento en estado sólido en sistemas industriales ymicroelectrónica 3,4,5.

Entre varios materiales de TE, el telururo de bismuto (Bi2Te 3) destaca por su eficiencia en aplicaciones cercanas a temperatura ambiente. Sin embargo, su despliegue práctico está limitado por fragilidad, flexibilidad mecánica restringida y una figura de mérito moderada (zT), que contribuyen a los desafíos en la implementacióna gran escala 2. Los avances recientes en las tecnologías de fabricación de películas finas, especialmente el sputtering con magnetrón, ofrecen enfoques prometedores para abordar estas limitaciones. Las películas delgadas permiten un mejor control sobre la composición y la microestructura, lo que puede mejorar la movilidad de los portadores y la flexibilidad mecánica, ambas importantes para dispositivos TE de altaeficiencia6. La capacidad de adaptar estas propiedades mediante sputtering de magnetrón por radiofrecuencia (RF) ya se ha demostrado previamente, lo que apoya su uso para producirpelículas finas uniformes Bi2Te 3 con espesores ajustables y niveles dedopaje 7.

El dopaje catiónico, especialmente con manganeso (Mn), ha surgido como una estrategia prometedora para mejorar las propiedades de TE de Bi2Te3. Aunque la investigación sobre Bi2Te3 dopado con Mn sigue siendo menos extensa que los estudios con otros dopantes, la evidencia de sistemas relacionados sugiere que la incorporación de Mn puede mejorar tanto las propiedades eléctricas comoestructurales 8. Se ha informado que la incorporación de Mn influye en la concentración y movilidad de portadores, afectando al coeficiente de Seebeck y a la conductividad eléctrica, que en conjunto determinan la PF del materialTE 9. Además, la incorporación de Mn se ha discutido en términos de mecanismos de incorporación sustitucionales o asociados a defectos que pueden introducir deformación en la red y defectos puntuales. Estas modificaciones pueden mejorar la dispersión de fonones y potencialmente reducir la conductividad térmica de la red, ambos factores importantes para el rendimientode TE 10. La investigación sobre compuestos relacionados dopados por Mn, como Bi2Si, 2Te6, sugiere que el Mn también puede mejorar el transporte de carga e introducir momentos magnéticos localizados, lo que puede reforzar los efectos de dispersión de fonones y reducir la conducciónbipolar 11. En consecuencia, la influencia del Mn en la evolución microestructural, la formación de defectos y el crecimiento de los granos es importante para mejorar la estabilidad mecánica y térmica de los materialesTE 10,12.

Sin embargo, una incorporación excesiva de Mn puede favorecer fases secundarias como MnTe y complicar el comportamiento del transporte13; por lo tanto, la entrada Mn debe controlarsecuidadosamente 14. Además, Mn puede introducir estados aceptores dentro de la red Bi2Te3 y potencialmente alterar el comportamiento de conducción mediante la supresión del transporte topológico superficial, la apertura de una brecha, la reducción de la densidad de portadores libres y un cruce de conducción metálica a una conductora aislante o localizada bajo suficientedopaje 15,16. Estas consideraciones destacan la importancia de controlar la incorporación de Mn durante el sputtering para establecer relaciones estructura-propiedadfiables 17.

Estudios recientes han demostrado que el Mn puede incorporarse en películas delgadas basadas en Bi2Te3 y puede influir de forma medible en la estructura y el transporte electrónico. Las películas finas Bi2−xMnxTe 3 presentan cambios dependientes de Mn en propiedades estructurales yeléctricas 18, mientras que las películas finas Mn:Bi 2Te3 también han sido investigadas mediante mediciones de transporte, lo que indica que la incorporación de Mn puede ocurrir sin suprimir completamente la fase19 Bi-Te3 del huésped. Más recientemente, el sputtering con magnetrón ha permitido la preparación depelículas finas Bi2Te 3 dopadas con Mn nanocristalinos, apoyando la viabilidad de la incorporación de Mn mediante enfoques de deposición escalable de películadelgada 20. Sin embargo, en comparación conpelículas delgadas representativas detipo n tipo n optimizadas mediante ingeniería de texturas, modulación de defectos de vacío e ingeniería de portadoras, la optimización sistemática de películas finas Bi2Te 3 dopadas con Mn sigue siendo comparativamente pocoexplorada 7,21. Esta brecha motivó el estudio controlado de entrada Mn presentado aquí.

En este estudio, se prepararon películas delgadas de Bi2Te 3 dopadas con Mn mediante co-sputtering de magnetrón RF utilizando una serie controlada de entrada Mn y se evaluaron mediante difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido por emisión de campo (FESEM), espectroscopía de rayos X dispersiva de energía (EDX) y mediciones de coeficientes de Seebeck y resistividad eléctrica dependientes de la temperatura. La Figura 1 ilustra esquemáticamente la configuración de co-sputtering utilizada en este trabajo. El objetivo era utilizar un marco consistente de sputtering para examinar cómo la entrada de Mn influye en la microestructura de la película y el comportamiento de transporte relacionado con PF bajo condiciones de procesamientocomparables 22.

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Figura 1. Esquema de la configuración de co-sputtering de magnetrón RF utilizada para la deposición de película fina Bi2Te 3 dopada con Mn. Representación esquemática de la disposición de co-sputtering que muestra el objetivo Bi2Te3, el objetivo Mn, el soporte del sustrato y la posición del sustrato dentro de la cámara de deposición. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

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Protocolo

No se utilizaron participantes humanos, animales ni tejidos biológicos en este estudio; por lo tanto, no se requería la aprobación ética institucional.

Resumen
Las películas finas Bi2Te3 dopadas con Mn se depositaron sobre sustratos de vidrio soda-cal (SLG) mediante co-sputtering de magnetrón RF. Las deposiciones se realizaron sin calentamiento intencionado del sustrato, y la temperatura de la cámara/sustrato durante el sputtering se mantuvo en 298 K ± 1 K. La distancia objetivo-sustrato se fijó en 55 mm para ambos cañones de pulverización. El objetivo Bi2Te 3 operaba a una potencia de RF fija de 100 W, mientras que la potencia de RF del blanco Mn se variaba (0, 5, 10 y 15 W) para ajustar la incorporación de Mn a lo largo de la serie de dopaje. Se utilizaba argón (Ar) como gas de pulverización a 4 sccm, y tras la estabilización por plasma, la presión de trabajo durante la deposición se mantenía aproximadamente en (3–5) × 10⁻3 Torr. El soporte del sustrato se giraba continuamente a 10 rpm en una única dirección fija para mantener la uniformidad de la película. El grosor de la película tras 30 minutos de deposición varió entre 0,722 y 1,195 μm, dependiendo de la potencia de RF Mn (Tabla 2). Este protocolo asume familiaridad con las prácticas estándar de vacío y el funcionamiento seguro de equipos de sputtering RF y ultravioleta (UV)–ozono, y pueden ser necesarios ajustes menores dependiendo del sistema de sputtering utilizado23.

Preparación del sustrato
Los sustratos de SLG se cortaron en piezas de 1,5 cm × 2,5 cm, se manipularon por los bordes para evitar la contaminación y se lavaron cuidadosamente con detergente de laboratorio. Los sustratos se limpiaban usando una solución diluida de detergente para cristalería de laboratorio preparada en agua DI y luego se enjuagaban a fondo hasta que no quedara ningún residuo visible. Se utilizó agua DI con resistividad de ≥18,2 MΩ·cm a 298 K para todos los pasos de enjuague. Los sustratos se limpiaron secuencialmente en un baño ultrasónico usando metanol, acetona y alcohol isopropílico durante 10 minutos cada una a 37 kHz, seguido de un enjuague en agua DI durante 20 minutos en un baño ultrasónico con temperatura controlada a 353 K23. Tras la limpieza, los sustratos se sujetaban en los bordes con pinzas limpias, se secaban con gas nitrógeno suave (N2, pureza 99,99%) hasta que no quedaba líquido visible y se calentaban en una placa caliente a 393 K durante 10 minutos para eliminar la humedad residual. Inmediatamente antes de la deposición, los sustratos se trataron en un limpiador UV-ozono durante 10 minutos utilizando las condiciones de funcionamiento predeterminadas del instrumento.

Preparación de la cámara e instalación del blanco
Antes de la deposición, se eliminaba el polvo del interior de la recámara y se usaban pistolas de pulverización usando un soplador de goma limpio. El ventilador se inspeccionaba visualmente y se purgaba varias veces alejándolo de la cámara antes de su uso para minimizar la introducción accidental de partículas. Antes de la primera deposición, se retiró cualquier lámina vieja y se utilizó lámina de aluminio nueva y resistente para revestir las superficies de la cámara y cubrir el soporte del sustrato. El papel de aluminio se aseguraba firmemente para evitar desplazamientos durante el bombeo y la rotación del sustrato, y para reducir la contaminación por residuos de depósitos previos. La ventana de observación de la cámara se protegía mediante una tapa limpia de placa de Petri (aproximadamente 94 mm de diámetro) para minimizar la acumulación de película en la ventana, permitiendo la observación de plasma durante la pre-pulverización y la deposición. El blanco Bi2Te3 se instaló en el cañón RF 1 y el blanco Mn en el cañón RF 2 (Figura 2), asegurando que ambos objetivos estuvieran centrados y bien montados, y que los cañones estuvieran cubiertos con escudos de aluminio. No se realizó ninguna limpieza adicional previa al uso en los objetivos; sin embargo, el acondicionamiento superficial se logró durante el paso previo al sputtering para eliminar la contaminación superficial y los óxidos nativos. El soporte del sustrato se limpió con metanol y se dejó secar completamente. El aislamiento eléctrico se comprobaba entonces usando un multímetro en modo continuidad (audible). La puesta a tierra se aceptaba cuando se detectaba un tono audible entre el cuerpo de la recámara y la carcasa del cañón, mientras que el aislamiento eléctrico se confirmaba cuando no se detectaba tono entre el cuerpo de la recámara y cada superficie del objetivo (circuito abierto).

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Figura 2. Fotografías anotadas del sistema de co-sputtering de magnetrón RF utilizado para la deposición de película fina Bi2Te 3 dopada con Mn. Fotografías representativas que muestran la cámara de pulverización, cañones RF, blancosBi 2Te3 y Mn, soporte de sustrato, sustratos, sistema de refrigeración, bomba de vacío y unidades de control de parámetros utilizadas durante la deposición de película fina. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Deposición depelícula fina Bi2Te 3 dopada con Mn
Pre-deposición
Los sustratos de ensayo se colocaron inicialmente sobre el soporte giratorio para evaluar la estabilidad en la deposición durante el acondicionamiento del objetivo. La puerta de la cámara se cerró y se inició el bombeo. Se aplicó una presión suave alrededor de la puerta al inicio para asegurar un sellado adecuado, y se confirmó la caída de presión en el manómetro. La presión de la cámara se monitorizaba utilizando el manómetro de vacío del sistema integrado con el controlador de pulverización. El bombeo continuó hasta que la presión de la cámara alcanzó ≤5 × 10−3 Torr. El sistema se consideraba listo cuando la lectura de presión se mantenía estable durante ~3 minutos, lo que correspondía a una deriva de presión de ≤2 × 10−4 Torr durante el periodo de estabilización.

El sistema de refrigeración se activó y se ajustó a 288 K, asegurando la circulación activa del refrigerante a través de ambas pistolas de pulverización antes de la ignición por plasma. La refrigeración se proporcionaba mediante agua recirculada de DI. Se introdujo gas argón de alta pureza (Ar, ≥99,999%) a 4 scc y se dejó estabilizarse durante ~2–5 minutos, o hasta que el flujo se mantuvo estable en ≥3,9 sccm. La rotación del sustrato se ajustaba a 10 rpm en una única dirección fija y se mantenía de forma continua durante la pre-sputtering y la deposición. A continuación, se encendieron la fuente de alimentación RF y el controlador de red emparejada.

Para ambos cañones RF, los ajustes de red de emparejamiento se ajustaban usando la función Min/Max hasta que Carga = 50 W y Ajuste = 50 W, tras lo cual el modo controlador cambiaba de Manual a Auto emparejamiento. La potencia reflejada se minimizaba antes de la encendida por plasma y se utilizaba potencia reflejada de ≤5 W como umbral de aceptación. Para el acondicionamiento previo al pulverización, la potencia RF se ajustaba a 50 W en el cañón Bi2Te 3 y 10 W en el cañón Mn antes de la ignición por plasma. El plasma estable se definía como un resplandor constante mantenido durante ~1–2 minutos sin parpadeo visible ni picos repentinos de presión. Además de la inspección visual, se confirmó la estabilidad del plasma cuando la potencia reflejada permaneció en ≤5 W y las fluctuaciones de presión de funcionamiento se mantuvieron dentro del ±5% durante ~1–2 minutos. Una vez logrado un plasma estable en ambos cañones, los blancos se pre-pulverizaron durante 15 minutos para eliminar la contaminación superficial y los óxidos nativos. Si el plasma no encendiera, se detenía el sputtering y se realizaba un breve reinicio de Ar apagando el flujo de Ar durante 10 s y luego restaurando el flujo antes de intentar volver a encenderlo. Se intentó encendido por plasma hasta tres veces por cañón. Si la encendida no tenía éxito tras tres intentos, el proceso se terminaba y el sistema se devolvía a un estado de espera seguro para inspeccionar el flujo de gas, la circulación de refrigeración y las condiciones de coincidencia. Tras la pre-pulverización, se retiraron los sustratos de prueba y se cargaron los sustratos limpios para la ejecución de deposición.

Deposición en película delgada
Antes de cargar los sustratos para la prueba de deposición, se eliminó el polvo del interior de la cámara y de la región del portamuestras usando un soplador de goma limpio, y la ventana de observación permaneció protegida con una tapa limpia para la placa de Petri para la observación de plasma. Los blancos fueron inspeccionados para asegurarse de que estuvieran correctamente sentados, centrados y en buen estado. Los blancos se consideraban adecuados cuando la superficie parecía intacta y de color uniforme, sin grietas visibles, hoyos profundos, delaminación, marcas de arco ("puntos de quemadura") ni partículas sueltas. Además, cada blanco debía estar firmemente sujeto y correctamente centrado dentro del pistola de chisporroteo. Los sustratos limpiados se colocaron simétricamente cerca de la región exterior del soporte giratorio (aproximadamente a 5–10 mm del centro del soporte), con el lado más largo alineado paralelo al borde del soporte (Figura 2).

La cámara se bombeaba entonces hasta una presión base de 5 × 10−5 Torr o menos. Para la primera prueba de deposición, la evacuación se realizó durante al menos 5 horas o hasta que la presión base se estabilizó en el valor objetivo. La estabilidad a presión base se definió como un desplazamiento de presión del ≤5% durante ~10 minutos. Tras alcanzar la presión base, el sistema de refrigeración se estabilizó a 288 K, el flujo de Ar se ajustó a 4 sccm y estabilizó (≥3,9 sccm), y la rotación del sustrato se mantuvo a 10 rpm. Se confirmaron los ajustes de red de coincidencia para ambos cañones (Carga = 50 W y Ajuste = 50 W), y se habilitó la coincidencia automática.

La deposición se realizó con potencia RF Bi2Te3 fija a 100 W y potencia RF Mn inicialmente establecida a 5 W para la primera condición dopada con Mn. La distancia objetivo-sustrato se fijó en 55 mm tanto para los cañones de pulverización Bi2Te3 como Mn. Para facilitar la encendida por plasma, el cañón Bi2Te3 podía iniciarse a 70 W y luego aumentarse 5 W cada 10 segundos hasta alcanzar 100 W. El temporizador de deposición se inició solo después de que la lectura de potencia Bi2Te3 permaneciera en 100 W durante ~30 s y se confirmara la estabilidad del plasma. Las películas se depositaron durante 30 minutos. Los parámetros clave de co-sputtering se resumen en la Tabla 1. Los espesores resultantes de la película fueron 0,886 μm (0 W), 0,722 μm (5 W), 1,079 μm (10 W) y 1,195 μm (15 W), según el análisis de la sección transversal (Tabla 2). Los pasos de deposición se repetían para potencias de RF Mn de 10 y 15 W usando sustratos frescos, manteniendo sin cambios lapotencia Bi 2Te3 , el flujo de Ar, la velocidad de rotación, la presión base, la temperatura y el tiempo de deposición.

ParámetroBi2Te3 ObjetivoObjetivo de Mn
Potencia RF (W)1000, 5, 10, 15
Gas de trabajoArAr
Caudal de gas (SCCM)44
Presión base (Torr)5 × 10⁻⁵5 × 10⁻⁵
Distancia objetivo a sustrato (mm)5555
Tiempo previo al tartamudeo (min)1515
Velocidad de rotación del sustrato (rpm)1010
Temperatura de deposición (K)298 ± 1298 ± 1
Tiempo de deposición (min)3030

Tabla 1: Parámetros de co-sputtering de magnetrón RF utilizados para la fabricación depelículas finas Bi2Te 3 dopadas con Mn.

Manejo posterior a la deposición
Una vez completado el tiempo de deposición, se permitía al sistema completar su secuencia de apagado. El apagado se iniciaba a través del controlador del sistema: la salida de RF se apagaba primero, seguida de la reducción del flujo de Ar a 0 sccm, mientras el sistema de refrigeración permanecía activo hasta que la recámara se ventilaba y las pistolas de chisporroteo volvían a la temperatura casi ambiente. La cámara se ventilaba solo después de que la bomba turbomolecular (TMP) dejara de funcionar para evitar daños en el equipo. Se comprobó el indicador de estado del TMP para confirmar que la bomba se había detenido (velocidad = 0) antes de ventilar. La cámara se ventilaba lentamente utilizando nitrógeno seco a través de la válvula de ventilación para permitir una igualación gradual de la presión y minimizar la perturbación de partículas.

La cámara se abría solo después de que la presión volviera a aproximadamente la presión atmosférica (≈760 Torr) y la puerta de la cámara pudiera liberarse sin resistencia. Durante la extracción de muestras se llevaba mascarilla y guantes para reducir la contaminación y la exposición a partículas finas. Las muestras se transferían a una placa de Petri limpia y se almacenaban en un contenedor de vacío. La caracterización se realizaba típicamente entre 24 y 72 horas después de la deposición. Tras la extracción de la muestra, la cámara se bombeó en modo brusco durante ~10–15 minutos hasta alcanzar el rango típico de presión de desbaste requerido antes de la operación del TMP (aproximadamente 10–1 Torr) para reducir la exposición al aire y la humedad ambiental antes de apagar los controles restantes del sistema.

Caracterización y cálculos rutinarios posteriores al crecimiento
La estructura cristalina fue examinada mediante θ–2θ XRD utilizando radiación Cu Kα (λ = 1,5406 Å) para confirmar la formación de la fase Bi2Te3, la orientación preferida y para detectar posibles fases secundarias comparándolas con las referencias estándar JCPDS/ICDD24,25. Se recogieron escaneos sobre 2θ = 5–80° con un paso de 0,05° y un tiempo de conteo de 0,5 s por paso en modo de escaneo continuo, utilizando un tubo de Cu operado a 40 kV y 40 mA. Para una comparación semicuantitativa, los patrones se corrigieron en antecedentes usando una rutina automatizada de referencia verificada visualmente, seguida de una búsqueda automática de picos con un umbral fijo, tras lo cual se usaron los picos identificados para la coincidencia PDF26. Los patrones de difracción se compararon conBi2Te3 (PDF 00-015-0863) y tarjetas de referencia relacionadas con Mn, incluyendo α-Mn (PDF 00-032-0637) y β-Mn (PDF 00-033-0887). Los porcentajes de coincidencia reportados se utilizaron solo como indicadores comparativos de la contribución cristalina relativa porque la orientación preferida por películas delgadas puede sesgar las estimaciones de fase basadas en la intensidad.

El tamaño de la cristalita se estimó a partir de la reflexión dominante Bi2Te3 (015) utilizando el métodode Scherrer 27,28. La posición máxima (015) (2θ) se registró a partir del patrón XRD, y el ancho completo a la mitad del máximo (FWHM, β) se obtuvo mediante ajuste de pico Gaussiano con la línea base fija al fondo local sobre una ventana restringida de ajuste (015), donde β se registró en grados. Se aceptaron los ajustes cuando los residuos se minimizaron sin desviación sistemática. El ángulo de Bragg se calculaba como θ = (2θ)/2, y β se convertía a radianes usando:

figure-protocol-2

El tamaño de la cristalita se calculó entonces usando la ecuación de Scherrar:

figure-protocol-3

donde K = 0,89, λ = 1,5406 Å, βrad es el FWHM en radianes, y θ es el ángulo de Bragg del pico (015) 29. Los valores D resultantes se convirtieron de Å a nm dividiendo entre 10. La microdeformación (ε) se estimó a partir del ensanchamiento del pico utilizando:

figure-protocol-4

donde β es el FWHM en radianes y θ es el ángulode Bragg 30. La densidad de dislocaciones (δ), que representa la densidad de defectos dentro del cristal, se calculó a partir del tamaño del cristal usando:

figure-protocol-5

donde D es el tamaño de cristalita. En este trabajo, D se expresó en nm, y por tanto δ se reportó en nm−2 31. Los cálculos estructurales representativos, incluyendo la conversión de β, el tamaño de cristalita, la microdeformación y la densidad de dislocaciones, se resumen en la Tabla Suplementaria 1.

La microestructura superficial fue evaluada por FESEM operado a 3,0 kV utilizando condiciones de imagen consistentes (aumento de 100,0 k× campo de visión, campo de visión = 2,79 μm, barra de escala = 100 nm) en todas las condiciones de Mn para la comparacióndirecta 32. Las muestras se montaban sobre muñones de aluminio usando cinta de carbono conductora. No se aplicó ningún recubrimiento conductor; la carga se minimizaba utilizando un bajo voltaje de aceleración (3,0 kV) y condiciones de imagen estables. La composición de la película se evaluó utilizando EDX adquirido con el detector integrado con el microscopioelectrónico 33. Los espectros puntuales EDX se adquirieron a 15,0 kV con una distancia de trabajo de ~8,0–8,2 mm en modo de análisis puntual. La adquisición se realizó utilizando los ajustes predeterminados del instrumento, y se utilizó análisis cuantitativo con resta de antecedentes para informar los valores en peso y en porcentaje en porcentaje y en porcentaje.

El transporte TE en plano se medía mediante un sistema de medición de Seebeck/resistividad. Se montaron muestras de película fina (~2,0 cm × 1,5 cm) usando un adaptador de platino de cuatro contactos (Figura 3), y el coeficiente de Seebeck (S) se midió en relación con un estándar Pt bajo un gradiente de temperatura aplicado de aproximadamente 25 K34. Las mediciones se realizaron escalonadas desde 323–523 K bajo una atmósfera de gas He (~1 atm). La temperatura se incrementaba entre los puntos de ajuste a una tasa media de ~5–6 K·min⁻1, y en cada punto de consigna se permitía que la muestra se equilibrara hasta que las lecturas S y ρ se estabilizaban (típicamente ~2–3 minutos). Luego se registraron tres lecturas consecutivas por punto de temperatura cada 1,5 minutos. El valor PF se calculó a partir de la resistencia S (V/K) y eléctrica medida, ρ (Ω·m), utilizando la siguienteecuación 35:

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Figura 3. Configuración de montaje de película delgada para mediciones termoeléctricas (TE) en plano utilizando un adaptador de platino de cuatro contactos. Fotografías representativas que muestran la disposición de montaje depelículas finas Bi2Te 3 dopadas con Mn durante mediciones de coeficientes de Seebeck y resistividad eléctrica, incluyendo el adaptador de platino, las sondas de termopar y las almohadillas de contacto eléctricas. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

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Resultados

Se presentan resultados representativos para la serie de potencias Mn (0, 5, 10, 15 W), utilizando la película no dopada (0 W) como condición de control para comparaciones estructurales y de transporte.

Estructura cristalina (XRD)
Los patrones XRD confirman que todas las muestras conservaron la fase romboédrica Bi2Te3 (JCPDS nº 15-0863) a lo largo de la serie de potencia Mn, como se muestra en la F...

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Discusión

Este estudio demostró un flujo de trabajo de co-sputtering de RF para adaptar el comportamiento TE de películas finas Bi2Te3 controlando la entrada RF Mn manteniendo una potencia objetivo constante de Bi2Te3. La XRD confirmó la presencia de la fase romboédrica Bi2Te3 (JCPDS No. 15-0863) con una orientación preferida (015) en todas las muestras. El desplazamiento sistemático de la reflexión (015) hacia valores más altos de ...

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Divulgaciones

Los autores declaran no existir intereses financieros en competencia ni otros conflictos de interés.

Agradecimientos

Los autores agradecen el apoyo proporcionado por la Universiti Kebangsaan Malaysia, bajo la subvención GGPM-2022-069. Los autores también agradecen al Instituto de Investigación en Energía Solar (SERI), Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM), por su apoyo técnico y el acceso a las instalaciones de laboratorio a lo largo de este estudio. Los autores reconocen al Centro de Investigación y Gestión de Instrumentación (CRIM) por proporcionar las instalaciones XRD y FESEM–EDX. Además, los autores agradecen sinceramente a la Universidad Sain Islam de Malasia (USIM) por el acceso al sistema de medición de Seebeck/resistividad utilizado para las mediciones de coeficientes de Seebeck y resistividad eléctrica. Por último, los autores expresan su agradecimiento a todos los colegas y miembros del personal que contribuyeron a la exitosa finalización de este proyecto.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Acetona (≥ 99.5%)Merck100012Disolvente para limpieza de sustratos
Papel de aluminioPospaperroll86871915Revestimiento de la cámara y recubrimiento del soporte del sustrato
Gas argón (Ar)Gaslink Industrial Gases Sdn. Bhd.N/A (suministrado por distribuidor)Gas de trabajo escupiendo a escupidazos; 4 flujo SCCM; Curso 5.0 (99,999%)
Objetivo de pulverización de telúrudo de bismuto, 50,8 mm de diámetro, 4,25 mm de espesor, 99,999%Changsha Xinkang Advanced Materials Co., Ltd.xk-Bi2Te3objetivo Bi2Te3 objetivo; potencia RF fija = 100 W
Agua desionizadaInternamenteN/AEnjuague de sustrato y limpieza ultrasónica
Detector de espectroscopía de rayos X con dispersión de energíaIntegrado con el sistema FESEMN/AAnálisis compositivo de películas delgadas
Microscopio electrónico de barrido por emisión de campoCarl ZeissSUPRA 55VPImagen de microestructura superficial
Sustratos de vidrio, vidrio sodioso-cal, grosor de 1,1 mmMevidB105-2002Sustrato para la deposición de películas delgadas
Placa eléctricaIKAC-MAG HS 7Secado del sustrato a 393 K
Alcohol isopropílico (≥ 99.8%)Merck109634Disolvente para limpieza de sustratos
Detergente de laboratorioMerck107553Limpieza inicial de sustratos
Unidad de circulación de refrigeranteFisher Scientific250LCUCirculación de refrigeración para pistolas de pulverización
Metanol (≥ 99.9%)Merck106009Disolvente para limpieza de sustratos
Blanco de esparsuración de manganeso, 50,8 mm de diámetro, 5,08 mm de grosor, 99,999%Hunan Boyu Technology Co., Ltd.N/Aobjetivo de Mn; La potencia de RF variaba de 0 a 15 W
MultímetroRS PROEN61010-1 CATIIIVerificación de aislamiento eléctrico
Gas nitrógeno (N2)Gaslink Industrial Gases Sdn. Bhd.N/A (suministrado por distribuidor)Secado del sustrato tras la limpieza; Grado 4.0 (99,99%)
Tapa de placa de PetriMerck41121812Protección de ventanas de observación en la cámara; aproximadamente 94 mm de diámetro y tiempos; Altura de 16 mm
Sistema de interferencia de magnetrón RFHechos a medidaN/ACo-sputtering de películas finas Bi2Te3 y Mn
Sistema de medición de Seebeck/resistividad con adaptador de platinoLinseisLSR-3 (LSR L31)Mediciones de coeficientes de Seebeck y resistividad eléctrica
PinzasFisher Scientific10-316BManejo de sustratos limpios
Baño ultrasónicoElmaElmaSonic S30HLimpieza con disolventes para metanol, acetona, alcohol isopropílico y agua DI
UV– Limpiador de ozonoTecnologías NovascanPSDP-UV4Tratamiento superficial del sustrato
Contenedor de almacenamiento al vacíoCOMO UNA SOLA CORPORACIÓNVMAlmacenamiento de muestras tras la deposición
Profilómetro de stylusBrukerDektakXTMedición del grosor de la película fina
Difractómetro de rayos XBrukerAVANCE D8θ – 2θ Escaneos XRD usando Cu K y alfa; Radiación
DIFFRAC. EVABrukerDIFFRAC. EVA versión 8Ajuste de picos, análisis de difracción y graficado de gráficos
OrigenOriginLabOriginPro (64 bits)Ajuste de picos y trazado de gráficos

Referencias

  1. Zhao T, et al. Prediction of higher thermoelectric performance in BiOCuSe by weakening electron-polar optical phonon scattering. J Mater Chem A. 2020;8(47):25245-25254.
  2. Ben-Nana M, Abbassi A, Elhadadi B. Rb₂XCl₆ (X = Zr, Te, Pt): promising materials for high-temperature thermoelectric power generation. In: 2025 International Conference on Circuit, Systems and Communication (ICCSC). IEEE; 2025:1-7.
  3. Hu K, Han J, Xu B, Lin Y-H. Thermoelectric power factor of doped Bi₂O₂Se: a computational study. Phys Chem Chem Phys. 2020;22:27096-27104.
  4. Li S, et al. High thermoelectric power factor in Ni-Fe alloy for active cooling applications. Mater Horiz. 2025;12:6956-6966.
  5. Sun Y, et al. Strategies to improve the thermoelectric figure of merit in thermoelectric functional materials. Front Chem. 2022;10:865281.
  6. Hu B, et al. Advances in flexible thermoelectric materials and devices fabricated by magnetron sputtering. Small Sci. 2025;5:2300061.
  7. Gong T, et al. Ultrahigh power factor of sputtered nanocrystalline n-type Bi₂Te₃ thin film via vacancy defect modulation and Ti additives. Adv Sci. 2024;11:2403845.
  8. Wang R, et al. Optimization of thermoelectric property of n-type Mg₃Sb₂ near room temperature via Mn and Se co-doping. Adv Sustain Syst. 2023;7(11):2300234.
  9. Kumar A, et al. Thermoelectric properties of GaN with carrier concentration modulation: an experimental and theoretical investigation. Phys. Chem. Chem. Phys. 2021;23(2):1601-1609.
  10. Musah J, et al. Ultralow thermal conductivity in dual-doped n-type Bi₂Te₃ material for enhanced thermoelectric properties. Adv Electron Mater. 2021;7(2):2000910.
  11. Jang H, et al. Comparative study of thermoelectric properties of Sb₂Si₂Te₆ and Bi₂Si₂Te₆. ACS Appl Mater Interfaces. 2022;14:1270-1279.
  12. Ye W, Du P, Xiao S, Li M. Effect of annealing temperature on properties of WS₂ thin films. Surf Eng. 2022;38:411-416.
  13. Singh A, Kamboj VS, Barnes CHW, Hesjedal T. Magnetotransport measurements in overdoped Mn:Bi₂Te₃ thin films. Crystals (Basel). 2025;15:557.
  14. Gadhavajhala SSS, et al. Magnetic frameworks and non-magnetic dopants: a novel strategy for enhancing thermoelectric efficiency in manganese telluride-mechanistic insights into charge carrier dynamics and phonon transport. Small. 2025;21(25):2411481.
  15. Wei M, et al. Directional thermal diffusion realizing inorganic Sb₂Te₃/Te hybrid thin films with high thermoelectric performance and flexibility. Adv Funct Mater. 2022;32(45):2207903.
  16. Chen X, et al. Flame doping of indium ions into TiO₂ nanorod arrays for enhanced photochemical water oxidation. Dalton Trans. 2023;52:14747-14751.
  17. Zhao Y, Ding W, Xiao Y, Yang P. Manipulating the optoelectronic characteristic of AZO films by magnetron sputtering power. Vacuum. 2023;210:111849.
  18. Kander NS, et al. The role of Mn in Bi2-xMnxTe3 topological insulator: structural, compositional, magnetic, and weak anti-localization property analysis. J Mater Sci Mater Electron. 2023;34:1198.
  19. Kavita, Gupta V, Ranjeet. Structural and morphological properties of nanostructured Bi₂Te₃ with Mn-doping for thermoelectric applications. Mater Today Proc. 2022;54:820-826.
  20. Bibby J, et al. Synthesis of nanocrystalline Mn-doped Bi₂Te₃ thin films via magnetron sputtering. Crystals (Basel). 2025;15:54.
  21. Tang X, et al. A comprehensive review on Bi₂Te₃-based thin films: thermoelectrics and beyond. Interdiscip Mater. 2022;1:88-115.
  22. Islam R, et al. Modulating Mn-doped NiO nanoparticles: structural, optical, and electrical property tailoring for enhanced hole transport layers. Nanoscale Adv. 2025;7:133-143.
  23. Ahmad Musri N, et al. Fabrication of Bi₂Te₃ and Sb₂Te₃ thermoelectric thin films using radio frequency magnetron sputtering technique. J Vis Exp. 2024;(207):e66248.
  24. Adam AM, et al. Optical properties of thin Bi₂Te₃ films synthesized by different techniques. Superlattices Microstruct. 2021;155:106909.
  25. Ali Z, Dawood AL-Niaimi A. Structural and electrical characterizations of new synthesized PVA/PoPDA-rGO-ZnO nanocomposite. Egypt J Chem. 2021;65(4):761-770.
  26. Kabekkodu SN, Dosen A, Blanton TN. PDF-5+: a comprehensive Powder Diffraction File for materials characterization. Powder Diffr. 2024;39:47-59.
  27. Kawsar Md, et al. Synthesis of nano-crystallite hydroxyapatites in different media and a comparative study for estimation of crystallite size using Scherrer method, Halder-Wagner method size-strain plot, and Williamson-Hall model. Heliyon. 2024;10:e25347.
  28. Fatimah S, Ragadhita R, Husaeni DF Al, Nandiyanto ABD. How to calculate crystallite size from X-ray diffraction using Scherrer method. ASEAN J Sci Eng. 2021;2:65-76.
  29. Mongkolsuttirat K, Buajarern J. Uncertainty evaluation of crystallite size measurements of nanoparticle using X-ray diffraction analysis. J Phys Conf Ser. 2021;1719:012054.
  30. Ateia EE, et al. A comparative approach for estimating microstructural characteristics of BaTi1-xZrxO₃ (0.0 ≤ x ≤ 0.3) nanoparticles via X-ray diffraction patterns. J Solgel Sci Technol. 2024;110:887-899.
  31. Abdul-Jabbar SS, Harbi KH. A study of the relationship between the two types of crystallite dislocation density and the particle size of barium oxide (BaO) nanoparticle. Ibn Al-Haitham J Pure Appl Sci. 2024;37:193-202.
  32. Ahmad M, Agarwal K, Mehta BR. An anomalously high Seebeck coefficient and power factor in ultrathin Bi₂Te₃ film: spin-orbit interaction. J Appl Phys. 2020;128(3):035108.
  33. Lou L, et al. Tunable electrical conductivity and simultaneously enhanced thermoelectric and mechanical properties in n-type Bi₂Te₃. Adv Sci. 2022;9(27):2203250.
  34. Wang Y, et al. Enhancement of NIR-II emission of Er3⁺ by doping Fe3⁺ in double perovskites: multimode luminescence for versatile optoelectronic applications. Angew Chem Int Ed. 2025;137(4):e202416021.
  35. Isram M, et al. Impact of Mg doping on structural, morphological and thermoelectric properties of SnO₂ nanoparticles: a combined experimental-theoretical investigation. Molecules. 2025;30:4135.
  36. Korkmaz L, et al. Insights into the structural, microstructural and thermoelectric properties of Ce/Cr co-doped CaMnO₃ manganites. J Mater Sci Mater Electron. 2025;36:1004.
  37. Saleh A. Improvement of the optical properties of Zn-doped MnO nanocomposites thin films. Passer J Basic Appl Sci. 2023;5:348-355.
  38. Arif D, et al. Influence of defects on the enhancement of thermoelectric properties in Sn-doped ZnO nanostructure synthesized via hydrothermal route. Front Chem. 2025;13:1598509.
  39. Rana VS, Rajput JK, Pathak TK, Pal PK, Purohit LP. Impact of RF sputtering power on AZO thin films for flexible electro-optical applications. Cryst Res Technol. 2021;56(4):2000144.
  40. Lanchero ÁP, et al. Impact of Mn/Co substitution on magnetoelectric and structural properties of ZnO nanostructures thin films. Heliyon. 2025;11:e42337.
  41. Othman NA, et al. Effects of radio-frequency power on structural properties and morphology of AlGaN thin film prepared by co-sputtering technique. ELEKTRIKA. 2021;20:14-18.
  42. Vadakepurathu F, Rana M. Electrical, optical and thermal properties of Ge-Si-Sn-O thin films. Materials. 2024;17:3318.
  43. Kim H-M, et al. Atomic layer deposition for nanoscale oxide semiconductor thin film transistors: review and outlook. Int J Extrem Manuf. 2023;5:012006.
  44. Hadia NMA, et al. Structural, optical and electrical properties of Bi2-xMnxTe3 thin films. J Mater Sci Mater Electron. 2022;33:158-166.
  45. Wu H, et al. Improved thermoelectric and mechanical performance of Sb₂Te₃-based materials toward the segmented operation. Mater Today Energy. 2022;27:101045.
  46. Wang R, et al. Optimization of thermoelectric property of n-type Mg₃Sb₂ near room temperature via Mn and Se co-doping. Adv Sustain Syst. 2023;7(11):2300234.
  47. Hegde GS, Prabhu AN, Rao A, Chattopadhyay MK. Enhancement in thermoelectric figure of merit of bismuth telluride system due to tin and selenium co-doping. Mater Sci Semicond Process. 2021;127:105645.
  48. Osmic E, Barzola-Quiquia J, Winnerl S, Böhlmann W, Häussler P. Thermopower and resistivity of the topological insulator Bi₂Te₃ in the amorphous and crystalline phase. J Phys Condens Matter. 2024;36:355001.
  49. Singha P, et al. Enhancement of electron mobility and thermoelectric power factor of cobalt-doped n-type Bi₂Te₃. Int J Energy Res. 2022;46:17029-17042.
  50. Sitnicka J, et al. Systemic consequences of disorder in magnetically self-organized topological MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)n superlattices. 2D Mater. 2022;9:015026.
  51. Jiang Y, et al. Evolution of defect structures leading to high ZT in GeTe-based thermoelectric materials. Nat Commun. 2022;13:6087.
  52. Chen X, et al. Excellent thermoelectric performance of boron-doped n-type Mg₃Sb₂-based materials via the manipulation of grain boundary scattering and control of Mg content. Sci China Mater. 2021;64:1761-1769.
  53. Bugalia A, Gupta V, Pandey A. Improvement in thermoelectric properties of Zn-Mn co-doped nanostructured SnTe through band engineering and chemical bond softening. J Phys D Appl Phys. 2024;57:195502.
  54. Zhou M, et al. Enhancement of thermoelectric performance for InTe by selective substitution and grain size modulation. Crystals (Basel). 2023;13:601.
  55. Durán I, et al. High conductivity and thermoelectric power factor in p-type MoS₂ nanosheets. ACS Appl Energy Mater. 2025;8:3500-3508.
  56. Bourgès C, et al. Investigation of Mn single and co-doping in thermoelectric CoSb₃-skutterudite: a way toward a beneficial composite effect. ACS Appl Energy Mater. 2023;6:9646-9656.
  57. Nguyen TAK, et al. Effects of RF magnetron sputtering power on the mechanical behavior of Zr-Cu-based metallic glass thin films. Nanomaterials. 2023;13:2677.
  58. Wang G, et al. Boosting thermoelectric performance of Bi₂Te₃ material by microstructure engineering. Adv Sci. 2024;11(6):2308056.
  59. Chaiwas S, et al. Enhanced thermoelectric power factor of magnetron co-sputtered Pd-added Bi₂Te₃ thin films. Vacuum. 2024;230:113696.
  60. Jha R, et al. High thermoelectric performance of p-type Fe₂V₀.₈Mn₀.₂Al Heusler alloy thin films grown on insulating oxide substrates. Sci Technol Adv Mater. 2025;26(1):2512705.
  61. Abinaya C, et al. The effect of post-deposition annealing conditions on structural and thermoelectric properties of sputtered copper oxide films. RSC Adv. 2020;10:29394-29401.
  62. Tao X, et al. Exceptional performance of room-temperature sputtered flexible thermoelectric thin film using high target utilisation sputtering technique. Adv Mater Technol. 2024;9(6):2301958.
  63. Dolabella S, Borzì A, Dommann A, Neels A. Lattice strain and defects analysis in nanostructured semiconductor materials and devices by high-resolution X-ray diffraction: theoretical and practical aspects. Small Methods. 2022;6(2):2100932.
  64. Dores BS, Maciel MJ, Correia JH, Vieira EMF. Toward enhancing the thermoelectric properties of Bi₂Te₃ and Sb₂Te₃ alloys by co-evaporation of Bi₂Te₃:Bi and Sb₂Te₃:Te. Nanomaterials. 2025;15:299.
  65. Morgan KA, Zeimpekis I, Feng Z, Hewak D. Enhancing thermoelectric properties of bismuth telluride and germanium telluride thin films for wearable energy harvesting. Thin Solid Films. 2022;741:139015.
  66. Helt A, et al. MgCuSb as a suitable electrode for contacting pre-compacted pellets of MgAgSb thermoelectric material. Sci Technol Adv Mater. 2025;26(1):2506982.

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