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Article de recherche

Amélioration des propriétés thermoélectriques des films minces Bi2Te3 par le co-sputtering au manganèse

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DOI :

10.3791/71082

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5 juin 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

Dans cet article

Résumé

Un protocole de co-sputtering par radiofréquence a été développé pour fabriquerdes films minces de Bi2Te 3 dopés au manganèse et évaluer comment l’apport de manganèse influence les propriétés structurelles et de transport thermoélectrique. Une incorporation modérée de manganèse a amélioré l’uniformité du film et le comportement de transport lié au facteur de puissance, tandis qu’un apport plus élevé de manganèse a augmenté le désordre structurel et la résistivité.

Résumé

Bi2Te3 reste un matériau thermoélectrique (TE) de type n de référence pour la conversion d’énergie à basse température, mais sa petite bande interdite peut réduire l’efficacité en raison de porteurs parasites thermiquement générés. Le dopage élémentaire a été exploré pour améliorer les performances du TE, bien que des études systématiques sur lesfilms fins Bi2Te 3 dopés au manganèse (Mn) restent limitées. Dans cette étude, un flux de travail de co-sputtering à magnétron à radiofréquence a été utilisé pour fabriquer des films minces de Bi2Te3 dopés au Mn en variant la puissance de la cible Mn tout en maintenant des conditions de dépôt constantes de Bi2Te3. Les propriétés de transport structurelles, microstructurales, compositionnelles et TE ont été évaluées à l’aide de diffraction des rayons X, de la microscopie électronique à balayage par émission de champ, de la spectroscopie à dispersion d’énergie et de mesures de transport dépendantes de la température. La diffraction des rayons X a confirmé la rétention de la phase rhomboédrique Bi2Te3 avec une orientation préférentielle (015), tandis que les décalages de pic vers des valeurs supérieures de 2θ étaient cohérents avec la contraction du réseau liée au Mn. Tous les films présentaient des coefficients de Seebeck négatifs, confirmant la conduction de type n. L’augmentation du dopage Mn augmentait l’ampleur du coefficient de Seebeck mais augmentait aussi la résistivité électrique, démontrant un compromis au transport. Le film déposé à une puissance de 5 W Mn a atteint le facteur de puissance le plus élevé de 529,33 μW m−1 K−2 à 523 K grâce à sa faible résistivité combinée à une thermopuissance adéquate. Ces résultats démontrent qu’une incorporation modérée de Mn peut améliorer les performances liées au facteur de puissance des films fins Bi2Te3 dans la plage de température mesurée.

Introduction

Les matériaux thermoélectriques (TE) jouent un rôle crucial dans la conversion durable de la chaleur en énergie électrique, principalement grâce aux effets Seebeck et Peltier. La performance des matériaux TE est généralement évaluée à l’aide du facteur de puissance (PF = S2/ρ), où S est le coefficient de Seebeck et ρ la résistivité électrique 1,2. Un S élevé couplé à un faible ρ indique un transport efficace des porteurs, essentiel pour des applications telles que la récupération de la chaleur résiduelle, la micro-production d’énergie et le refroidissement à semi-conducteurs dans les systèmes industriels et la microélectronique 3,4,5.

Parmi les différents matériaux de TE, le tellureure de bismuth (Bi2Te 3) se distingue par son efficacité dans des applications proches de la température ambiante. Cependant, son déploiement pratique est limité par la fragilité, la flexibilité mécanique limitée et un nombre de mérite modéré (zT), qui contribuent à des défis dans la mise en œuvre à grandeéchelle 2. Les avancées récentes dans les technologies de fabrication de films minces, en particulier le sputtering magnétron, offrent des approches prometteuses pour remédier à ces limites. Les films minces permettent un meilleur contrôle de la composition et de la microstructure, ce qui peut accroître la mobilité des porteurs et la flexibilité mécanique, deux éléments importants pour les dispositifs TE à hauteefficacité 6. La capacité à adapter ces propriétés grâce au sputtering magnétron à radiofréquence (RF) a déjà été démontrée, ce qui soutient son utilisation pour produire des films fins uniformes Bi2Te3 avec des épaisseurs et des niveaux de dopageaccordables 7.

Le dopage cationique, en particulier avec le manganèse (Mn), s’est imposé comme une stratégie prometteuse pour améliorer les propriétés TE de Bi2Te3. Bien que la recherche sur le Bi2Te3 dopé au Mn reste moins approfondie que celles impliquant d’autres dopants, des preuves issues de systèmes apparentés suggèrent que l’incorporation du Mn peut améliorer à la fois les propriétés électriques etstructurelles 8. L’incorporation de Mn a été rapportée comme influençant la concentration et la mobilité des porteurs, affectant le coefficient de Seebeck et la conductivité électrique, qui ensemble déterminent la PF du matériauTE 9. De plus, l’incorporation de Mn a été discutée en termes de mécanismes d’incorporation substitutionnels ou associés à des défauts qui peuvent introduire une déformation du réseau et des défauts ponctuels. Ces modifications peuvent améliorer la diffusion des phonons et potentiellement réduire la conductivité thermique du réseau, deux facteurs importants contribuant à la performanceTE 10. Des recherches sur des composés dopés au Mn apparentés tels que Bi2, Si, 2Te6 suggèrent que le Mn pourrait également améliorer le transport de charge et introduire des moments magnétiques localisés, ce qui pourrait renforcer les effets de diffusion phononique et réduire la conductionbipolaire 11. Par conséquent, l’influence du Mn sur l’évolution microstructurelle, la formation des défauts et la croissance des grains est importante pour améliorer la stabilité mécanique et thermique des matériauxTE 10,12.

Cependant, une incorporation excessive de Mn peut favoriser des phases secondaires telles que MnTe et compliquer le comportementde transport 13 ; par conséquent, l’entrée Mn doit être soigneusementcontrôlée 14. De plus, Mn peut introduire des états accepteurs dans le réseau Bi2Te3 et potentiellement modifier le comportement de conduction par suppression du transport topologique de surface, ouverture d’un intervalle, réduction de la densité de porteurs libres, et un croisement de la conduction métallique vers une conduction isolante ou localisée sous un dopage suffisant15,16. Ces considérations soulignent l’importance de contrôler l’incorporation de Mn lors du sputtering afin d’établir des relations structure–propriétéfiables 17.

Des études récentes ont démontré que le Mn peut être incorporé dans des films minces à base de Bi2Te3 et peut influencer de manière mesurable la structure et le transport électronique. Les films minces Bi2−xMnxTe 3 présentent des changements dépendant du Mn dans les propriétés structurelles etélectriques 18, tandis que les films minces Mn :Bi 2Te3 ont également été étudiés par des mesures de transport, indiquant que l’incorporation de Mn peut se produire sans supprimer totalementla phase 19 Bi-Te3 de l’hôte. Plus récemment, le sputtering magnétron a permis la préparation defilms minces Bi2Te 3 dopés au Mn nanocristallin, soutenant la faisabilité de l’incorporation de Mn en utilisant des approches de dépôt de couches mincesévolutives 20. Cependant, comparés aux films mincesde type nsputtered de type n Bi2Te 3 représentatifs, optimisés par l’ingénierie de texture, la modulation des défauts de vacuité et l’ingénierie des porteurs, l’optimisation systématique des filmsminces Bi 2Te 3 dopés au Mn reste relativement sous-explorée 7,21. Cette lacune a motivé l’étude contrôlée Mn-input présentée ici.

Dans cette étude, des films minces de Bi2Te3 dopés au Mn ont été préparés par co-sputtering de magnétrons RF à l’aide d’une série contrôlée d’entrées Mn et évalués à l’aide de la diffraction des rayons X (XRD), de la microscopie électronique à balayage par émission de champ (FESEM), de la spectroscopie à dispersion d’énergie (EDX) et des mesures du coefficient de Seebeck et de la résistivité électrique dépendantes de la température. La figure 1 illustre schématiquement la configuration de co-sputtering utilisée dans ce travail. L’objectif était d’utiliser un cadre cohérent de sputtering pour examiner comment l’entrée de Mn influence la microstructure du film et le comportement de transport lié à la PF dans des conditions de traitementcomparables 22.

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Figure 1. Schéma de la configuration de co-sputtering du magnétron RF utilisée pour le dépôt de pellicules minces Bi2Te 3 dopé au Mn. Représentation schématique de l’arrangement de co-sputtering montrant la cible Bi2Te3, la cible Mn, le support du substrat et le positionnement du substrat à l’intérieur de la chambre de dépôt. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.

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Protocole

Aucun participant humain, sujet animal ou tissu biologique n’a été utilisé dans cette étude ; par conséquent, l’approbation éthique institutionnelle n’était pas requise.

Aperçu
Des films fins Bi2Te3 dopés au Mn ont été déposés sur des substrats en verre soude-chaux (SLG) par co-sputtering au magnétron RF. Les dépôts ont été effectués sans chauffage intentionnel du substrat, et la température de la chambre/substrat pendant le sputtering a été maintenue à 298 K ± 1 K. La distance cible-substrat était fixée à 55 mm pour les deux canons à éclats de spillage. La cible Bi2Te3 fonctionnait à une puissance RF fixe de 100 W, tandis que la puissance RF de la cible Mn était variée (0, 5, 10 et 15 W) pour ajuster l’incorporation Mn sur la série de dopage. L’argon (Ar) était utilisé comme gaz de sputtering à 4 sccm, et après la stabilisation par plasma, la pression de travail pendant le dépôt était maintenue à environ (3–5) × 10⁻3 Torr. Le support de substrat était tourné en continu à 10 tr/min dans une direction fixe unique pour maintenir l’uniformité du film. Les épaisseurs du film après 30 minutes de dépôt variaient de 0,722 à 1,195 μm, selon la puissance RF Mn (Tableau 2). Ce protocole suppose une familiarité avec les pratiques standard du vide et un fonctionnement sûr des équipements de sputtering RF et ultraviolet (UV)–ozone, et des ajustements mineurs peuvent être nécessaires selon le système desputtering utilisé 23.

Préparation du substrat
Les substrats SLG étaient découpés en morceaux de 1,5 cm × 2,5 cm, manipulés par les bords pour éviter toute contamination, puis soigneusement lavés avec de la lessive de laboratoire. Les substrats ont été nettoyés à l’aide d’une solution de détergent de verrerie de laboratoire diluée préparée dans de l’eau DI, puis rincés soigneusement jusqu’à ce qu’aucun détriment visible ne reste plus de résidu. De l’eau DI avec une résistivité de ≥18,2 MΩ·cm à 298 K a été utilisée pour toutes les étapes de rinçage. Les substrats ont ensuite été nettoyés séquentiellement dans un bain ultrasonore à l’aide de méthanol, d’acétone et d’alcool isopropylique pendant 10 minutes chacun à 37 kHz, suivis d’un rinçage dans de l’eau DI pendant 20 minutes dans un bain ultrasonique à température contrôlée à 353 K23. Après nettoyage, les substrats étaient maintenus sur les bords à l’aide d’une pince à épiler propre, séchés avec un gaz azoté doux (N2, pureté à 99,99 %) jusqu’à ce qu’il ne reste plus de liquide visible, puis chauffés sur une plaque chauffante à 393 K pendant 10 minutes pour éliminer l’humidité résiduelle. Juste avant le dépôt, les substrats ont été traités dans un nettoyant UV-ozone pendant 10 minutes en utilisant les conditions de fonctionnement par défaut de l’instrument.

Préparation de la chambre et installation de la cible
Avant le dépôt, la poussière était retirée de l’intérieur de la chambre et des pistolets à éclaboussures à l’aide d’un souffleur en caoutchouc propre. Le ventilateur était inspecté visuellement et purgé plusieurs fois loin de la chambre avant utilisation afin de minimiser l’introduction accidentelle de particules. Avant la première séance de dépôt, toute vieille feuille d’aluminium a été retirée, et une feuille d’aluminium neuve et robuste a été utilisée pour tapisser les surfaces de la chambre et recouvrir le support de substrat. Le papier d’aluminium était fermement fixé pour éviter tout déplacement lors du pompage et de la rotation du substrat, et pour réduire la contamination par les résidus des dépôts précédents. La fenêtre de vision de la chambre était protégée à l’aide d’un couvercle propre en boîte de Petri (environ 94 mm de diamètre) afin de minimiser l’accumulation de film sur la fenêtre tout en permettant l’observation du plasma lors de la pré-pulvérisation et du dépôt. La cible Bi2Te3 était installée sur le canon RF 1 et la cible Mn sur le canon RF 2 (Figure 2), garantissant que les deux cibles étaient centrées et solidement assemblées, et que les canons étaient recouverts de boucliers en aluminium. Aucun nettoyage supplémentaire avant utilisation n’a été effectué sur les cibles ; cependant, le conditionnement de surface a été obtenu lors de l’étape pré-sputtering pour éliminer la contamination de surface et les oxydes natifs. Le support du substrat a été essuyé avec du méthanol et laissé sécher complètement. L’isolation électrique était ensuite vérifiée à l’aide d’un multimètre en mode continuité (audible). La mise à la terre était acceptée lorsqu’une tonalité audible était détectée entre le corps de la chambre et le boîtier du canon, tandis que l’isolation électrique était confirmée lorsqu’aucune tonalité n’était détectée entre le corps de la chambre et chaque surface cible (circuit ouvert).

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Figure 2. Photographies annotées du système de co-sputtering magnétron RF utilisé pour le dépôt de pellicule mince Bi2Te 3 dopé au Mn. Photographies représentatives montrant la chambre de sputtering, les canons RF, lescibles Bi 2 Te3 et Mn, le support de substrat, les substrats, le système de refroidissement, la pompe à vide et les unités de contrôle paramétrique utilisées lors du dépôt de couches minces. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.

Dépôt de film mince Bi2Te3 dopé au Mn
Avant la déposition
Des substrats d’essai ont d’abord été placés sur le support rotatif pour évaluer la stabilité de dépôt lors du conditionnement de la cible. La porte de la chambre fut fermée et le pompage fut lancé. Une pression douce a été appliquée autour de la porte au début pour assurer une bonne étanchéité, et la chute de pression a été confirmée sur le manomètre. La pression de la chambre était surveillée à l’aide du manomètre à vide du système intégré au contrôleur du système de sputtering. Le pompage s’est poursuivi jusqu’à ce que la pression de la chambre atteigne ≤5 × 10−3 Torr. Le système était considéré comme prêt lorsque la lecture de pression restait stable pendant ~3 minutes, correspondant à une dérive de pression de ≤2 × 10−4 Torr pendant la période de stabilisation.

Le système de refroidissement a été mis en marche et réglé à 288 K, assurant une circulation active du liquide de refroidissement à travers les deux pistolets à buts avant l’allumage par plasma. Le refroidissement était assuré à l’aide d’eau DI recirculée. Un argon de haute pureté (Ar, ≥99,999 %) a été introduit à 4 sccm et laissé stabiliser pendant ~2 à 5 minutes, soit jusqu’à ce que le débit reste stable à ≥3,9 sccm. La rotation du substrat était réglée à 10 tr/min dans une direction fixe unique et maintenue en continu tout au long du pré-sputtering et du dépôt. L’alimentation RF et le contrôleur réseau adapté ont alors été mis en marche.

Pour les deux canons RF, les réglages du réseau correspondant étaient ajustés via la fonction Min/Max jusqu’à ce que Charge = 50 W et Réglage = 50 W, après quoi le mode contrôleur passait de la correspondance manuelle à l’auto-correspondance. La puissance réfléchie était minimisée avant l’allumage par plasma, et ≤5 W de puissance réfléchie servait de seuil d’acceptation. Pour le conditionnement pré-sputter, la puissance RF était réglée à 50 W sur le canon Bi2Te3 et à 10 W sur le canon Mn avant l’allumage au plasma. Le plasma stable était défini comme une lueur constante maintenue pendant ~1 à 2 minutes sans scintillement visible ni pics de pression soudains. En plus de l’inspection visuelle, la stabilité du plasma a été confirmée lorsque la puissance réfléchie est restée ≤5 W et que les fluctuations de pression de fonctionnement sont restées dans ±5 % pendant ~1 à 2 minutes. Une fois le plasma stable atteint aux deux canons, les cibles étaient pré-sputter pendant 15 minutes pour éliminer la contamination de surface et les oxydes indigènes. Si le plasma ne s’allumait pas, le sputtering était arrêté et un court reset de l’Ar était effectué en coupant le flux d’Ar pendant 10 s puis en rétablissant le flux avant de tenter de relancer l’allumage. L’allumage par plasma a été tenté jusqu’à trois fois par canon. Si l’allumage échouait après trois tentatives, le processus était interrompu et le système était remis en état de veille sûr pour inspection du flux de gaz, de la circulation de refroidissement et des conditions d’adaptation. Après le pré-sputtering, les substrats d’essai ont été retirés et les substrats nettoyés chargés pour la course de dépôt.

Dépôt en couche mince
Avant de charger les substrats pour la course de dépôt, la poussière était retirée de l’intérieur de la chambre et de la région du porte-échantillon à l’aide d’un souffleur en caoutchouc propre, et la fenêtre de visualisation restait protégée par un couvercle propre de boîte de Petri pour l’observation du plasma. Les cibles ont été inspectées pour s’assurer qu’elles étaient correctement installées, centrées et en bon état. Les cibles étaient jugées appropriées lorsque la surface semblait intacte et uniformément colorée, sans fissures visibles, fosses profondes, délamination, marques d’arc (zones de brûlure) ou particules lâches. De plus, chaque cible devait être fermement serrée et bien centrée dans le pistolet à écraser. Les substrats nettoyés étaient placés symétriquement près de la région extérieure du support rotatif (environ 5 à 10 mm du centre du support), le côté le plus long étant aligné parallèlement au bord du support (Figure 2).

La chambre était ensuite pompée à une pression de base de 5 × 10−5 Torr ou moins. Pour la première descente de dépôt, l’évacuation a été effectuée pendant au moins 5 heures ou jusqu’à ce que la pression de base se stabilise à la valeur ciblée. La stabilité à la pression de base était définie comme une dérive de pression de ≤5 % sur ~10 min. Après avoir atteint la pression de base, le système de refroidissement a été stabilisé à 288 K, le débit d’Ar a été réglé à 4 sccm et stabilisé (≥3,9 sccm), et la rotation du substrat a été maintenue à 10 tr/min. Les réglages du réseau d’appariement des deux canons ont été confirmés (Charge = 50 W et Réglage = 50 W), et l’Auto matching a été activé.

Le dépôt a été effectué avec une puissance RF Bi2Te3 fixée à 100 W et une puissance RF Mn initialement réglée à 5 W pour la première condition dopée Mn. La distance cible/substrat était fixée à 55 mm pour les canons à spiller Bi2Te 3 et Mn. Pour faciliter l’allumage par plasma, le canon Bi2Te3 pouvait être déclenché à 70 W puis augmenté de 5 W tous les 10 s jusqu’à atteindre 100 W. Le minuteur de dépôt n’a été lancé qu’après que la lecture de puissanceBi2Te3 soit restée à 100 W pendant ~30 s et que la stabilité du plasma ait été confirmée. Les films ont été déposés pendant 30 minutes. Les principaux paramètres de co-sputtering sont résumés dans le Tableau 1. Les épaisseurs de film obtenues étaient de 0,886 μm (0 W), 0,722 μm (5 W), 1,079 μm (10 W) et 1,195 μm (15 W), déterminées par analyse de coupe transversale (Tableau 2). Les étapes de dépôt ont été répétées pour des puissances RF Mn de 10 et 15 W en utilisant des substrats frais tout en maintenant la puissance Bi2Te3, le débit d’Ar, la vitesse de rotation, la pression de base, la température et le temps de dépôt inchangés.

ParamètreBi2Te3 CibleObjectif Mn
Puissance RF (W)1000, 5, 10, 15
Gaz de travailArAr
Débit de gaz (SCCM)44
Pression de base (Torr)5 × 10⁻⁵5 × 10⁻⁵
Distance cible/substrat (mm)5555
Temps avant le scosping (min)1515
Vitesse de rotation du substrat (tr/min)1010
Température de dépôt (K)298 ± 1298 ± 1
Temps de dépôt (min)3030

Tableau 1 : Paramètres de co-sputtering des magnétrons RF utilisés pour la fabrication de films fins Bi2Te3 dopés au Mn.

Manipulation après dépôt
Après la fin du temps de dépôt, le système était autorisé à compléter sa séquence d’arrêt. L’arrêt était initié via le contrôleur système : la sortie RF était d’abord coupée, suivie d’une réduction du débit Ar à 0 sccm, tandis que le système de refroidissement restait actif jusqu’à ce que la chambre soit évacuée et que les pistolets à goutte soient revenus à une température proche de la température ambiante. La chambre n’a été évacuée qu’après que la pompe turbomoléculaire (TMP) ne fonctionnait plus afin d’éviter des dommages à l’équipement. L’indicateur d’état TMP a été vérifié pour confirmer que la pompe s’était arrêtée (vitesse = 0) avant la sortie de la ventilation. La chambre était ventilée lentement en utilisant de l’azote sec via la vanne de ventilation afin de permettre une égalisation progressive de la pression et de minimiser les perturbations des particules.

La chambre n’était ouverte qu’après que la pression soit revenue à une pression atmosphérique approximative (≈760 Torr) et que la porte de la chambre pouvait être libérée sans résistance. Un masque et des gants étaient portés lors du prélèvement des échantillons afin de réduire la contamination et l’exposition aux particules fines. Les échantillons étaient transférés dans une boîte de Petri propre et stockés dans un contenant sous vide. La caractérisation était généralement réalisée dans les 24 à 72 heures suivant le dépôt. Après le retrait de l’échantillon, la chambre était pompée de façon brute pendant ~10 à 15 minutes jusqu’à atteindre la plage de pression de grossesse typique requise avant le fonctionnement du TMP (environ 10 à 1 Torr) afin de réduire l’exposition à l’air ambiant et à l’humidité avant de désactiver les commandes restantes du système.

Caractérisation et calculs post-croissance de routine
La structure cristalline a été examinée par θ–2θ XRD à l’aide du rayonnement Cu Kα (λ = 1,5406 Å) afin de confirmer la formation de la phase Bi2Te3, l’orientation préférée, et pour dépister les phases secondaires potentielles par comparaison avec les références JCPDS/ICDD standard24,25. Les scans ont été réalisés sur 2θ = 5–80° avec une taille de pas de 0,05° et un temps de comptage de 0,5 s par pas en mode balayage continu, à l’aide d’un tube cu fonctionnant à 40 kV et 40 mA. Pour une comparaison semi-quantitative, les motifs ont été corrigés en arrière-plan à l’aide d’une routine de référence automatisée vérifiée visuellement, suivie d’une recherche automatique de pics avec un seuil fixe, après quoi les pics identifiés ont été utilisés pour la correspondance PDF26. Les motifs de diffraction ont été appariés à des cartes de référenceBi2Te3 (PDF 00-015-0863) et liées à Mn, y compris α-Mn (PDF 00-032-0637) et β-Mn (PDF 00-033-0887). Les pourcentages de correspondance rapportés n’ont été utilisés que comme indicateurs comparatifs de la contribution cristalline relative car l’orientation préférentielle des films minces peut biaiser les estimations de phase basées sur l’intensité.

La taille du cristallite a été estimée à partir de la réflexion dominante Bi2Te3 (015) en utilisant la méthodeScherrer 27,28. La position de pic (015) (2θ) a été enregistrée à partir du diagramme XRD, et la largeur totale à demi-maximum (FWHM, β) a été obtenue par ajustement de pic gaussien avec la base fixée au fond local sur une fenêtre d’ajustement restreinte (015), où β était enregistrée en degrés. Les correspondances étaient acceptées lorsque les résidus étaient minimisés sans déviation systématique. L’angle de Bragg était calculé comme θ = (2θ)/2, et β était converti en radians en utilisant :

figure-protocol-2

La taille du cristallite a ensuite été calculée à l’aide de l’équation de Scherrer :

figure-protocol-3

où K = 0,89, λ = 1,5406 Å, βradi est le FWHM en radians, et θ est l’angle de Bragg du pic29 (015). Les valeurs D résultantes ont été converties de Å en nm en divisant par 10. La microdéformation (ε) a été estimée à partir de l’élargissement du pic en utilisant :

figure-protocol-4

où β est le FWHM en radians et θ est l’anglede Bragg 30. La densité de dislocations (δ), qui représente la densité de défauts à l’intérieur du cristal, a été calculée à partir de la taille du cristallite en utilisant :

figure-protocol-5

où D est la taille du cristallite. Dans ce travail, D était exprimé en nm, et donc δ était rapporté en nm−2 31. Les calculs structuraux représentatifs, incluant la conversion β, la taille du cristallite, la microdéformation et la densité de dislocation, sont résumés dans le Tableau Supplémentaire 1.

La microstructure de surface a été évaluée par FESEM opérée à 3,0 kV en utilisant des conditions d’imagerie cohérentes (grossissement de 100,0 k×, champ de vision = 2,79 μm, barre d’échelle = 100 nm) sur toutes les conditions Mn pour une comparaisondirecte 32. Les échantillons étaient montés sur des morceaux en aluminium à l’aide d’un ruban carbone conducteur. Aucun revêtement conducteur n’a été appliqué ; la charge était minimisée grâce à une basse tension d’accélération (3,0 kV) et des conditions d’imagerie stables. La composition du film a été évaluée à l’aide d’EDX acquise avec le détecteur intégré au microscopeélectronique 33. Les spectres ponctuels EDX ont été acquis à 15,0 kV avec une distance de travail de ~8,0–8,2 mm en mode analyse ponctuelle. L’acquisition a été effectuée en utilisant les paramètres par défaut de l’instrument, et une analyse quantitative avec soustraction de fond a été utilisée pour rapporter les valeurs en poids % et en at.

Le transport TE en plan était mesuré à l’aide d’un système de mesure de Seebeck/résistivité. Des échantillons de film mince (~2,0 cm × 1,5 cm) ont été montés à l’aide d’un adaptateur à quatre contacts en platine (Figure 3), et le coefficient de Seebeck (S) a été mesuré par rapport à un standard Pt sous un gradient de température appliqué d’environ 25 K34. Les mesures ont été effectuées par étapes entre 323 et 523 K sous une atmosphère de gaz He (~1 atm). La température a été augmentée entre les points de consigne à un taux moyen de ~5–6 K·min⁻1, et à chaque point de consigne, l’échantillon a été laissé à s’équilibrer jusqu’à ce que les relevés S et ρ se stabilisent (typiquement ~2–3 min). Trois relevés consécutifs ont ensuite été enregistrés par point de température à des intervalles de 1,5 minute. La valeur PF a été calculée à partir de la résistance S (V/K) mesurée et de la résistivité électrique, ρ (Ω·m), à l’aide de l’équationsuivante 35 :

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Figure 3. Configuration de montage en film mince pour les mesures thermoélectriques (TE) intégrées à l’aide d’un adaptateur à quatre contacts en platine. Photographies représentatives montrant la disposition de montage defilms minces Bi2Te 3 dopés au Mn lors des mesures du coefficient Seebeck et de la résistivité électrique, y compris l’adaptateur platine, les sondes thermocouples et les tampons de contact électriques. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.

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Résultats

Les résultats représentatifs sont présentés pour la série de puissances Mn (0, 5, 10, 15 W), en utilisant le film non dopé (0 W) comme condition de contrôle pour les comparaisons structurelles et de transport.

Structure cristalline (XRD)
Les motifs XRD confirment que tous les échantillons ont conservé la phase rhomboédrique Bi2Te3 (JCPDS n° 15-0863) sur toute la série de puissances Mn, comme montré à

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Discussion

Cette étude a démontré un flux de travail de co-sputtering RF pour adapter le comportement TE des films minces Bi2Te3 en contrôlant l’entrée RF Mn tout en maintenant une puissance cible constante de Bi2Te3. La XRD a confirmé la présence dela phase rhomboédrique Bi2Te 3 (JCPDS n° 15-0863) avec une orientation préférée (015) sur tous les échantillons. Le déplacement systématique de la réflexion (015) vers des valeurs supérie...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs déclarent qu’il n’y a pas d’intérêts financiers concurrents ni d’autres conflits d’intérêts.

Remerciements

Les auteurs sont reconnaissants du soutien apporté par l’Université Kebangsaan de Malaisie, dans le cadre de la subvention GGPM-2022-069. Les auteurs remercient également l’Institut de recherche en énergie solaire (SERI), Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM), pour son soutien technique et son accès aux installations de laboratoire tout au long de cette étude. Les auteurs remercient le Centre for Research and Instrumentation Management (CRIM) pour avoir fourni les installations XRD et FESEM–EDX. De plus, les auteurs reconnaissent sincèrement l’Université Sains Islam Malaysia (USIM) pour son accès au système de mesure de Seebeck/résistivité utilisé pour les mesures du coefficient de Seebeck et de la résistivité électrique. Enfin, les auteurs expriment leur reconnaissance à tous les collègues et membres du personnel qui ont contribué à la réussite de ce projet.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Acétone (&ge ; 99.5%)Merck100012Solvant nettoyant de substrat
Feuille d’aluminiumPospaperroll86871915Revêtement de chambre et revêtement de support
Gaz argon (Ar)Gaslink Industrial Gas Sdn. Bhd.N/A (fourni par le distributeur)Crachant du gaz de fonctionnement ; 4 écoulement SCCM ; Classe 5.0 (99,999 %)
Cible sputtering de tellurure de bismuth, diamètre de 50,8 mm, épaisseur de 4,25 mm, 99,999 %Changsha Xinkang Advanced Materials Co., Ltd.xk-Bi2Te3Bi2Te3 cible ; puissance RF fixe = 100 W
Eau déioniséeEn interneN/ARinçage du substrat et nettoyage ultrasonique
Détecteur de spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergieIntégré au système FESEMN/AAnalyse de la composition de films minces
Microscope électronique à balayage par émission de champCarl ZeissSUPRA 55VPImagerie de la microstructure de surface
Substrats en verre, verre soude-chaux, épaisseur de 1,1 mmMevidB105-2002Substrat pour le dépôt de couches minces
Plaque chauffanteIKAC-MAG HS 7Séchage du substrat à 393 K
Alcool isopropylique (&ge ; 99.8%)Merck109634Solvant nettoyant de substrat
Détergent de laboratoireMerck107553Nettoyage initial du substrat
Unité de circulation du liquide de refroidissementFisher Scientific250LCUCirculation de refroidissement pour pistolets à éclat
Méthanol (&ge ; 99.9%)Merck106009Solvant nettoyant de substrat
Cible à sputtering de manganèse, diamètre de 50,8 mm, épaisseur de 5,08 mm, 99,999 %Hunan Boyu Technology Co., Ltd.N/ACible de Minnesota ; La puissance RF variait de 0 à 15 W
MultimètreRS PROEN61010-1 CATIIIVérification de l’isolation électrique
Gaz azote (N2)Gaslink Industrial Gas Sdn. Bhd.N/A (fourni par le distributeur)Séchage du substrat après nettoyage ; Grade 4.0 (99,99 %)
Couvercle en boîte de PetriMerck41121812Protection de la fenêtre d’observation de la chambre ; environ 94 mm de diamètre et multiplications ; Hauteur de 16 mm
Système de sputtering à magnétron RFConstruit sur mesureN/ACo-sputtering des couches minces Bi2Te3 et Mn
Système de mesure de Seebeck/résistivité avec adaptateur platineLinseisLSR-3 (LSR L31)Coefficients de Seebeck et mesures de résistivité électrique
Pince à épilerFisher Scientific10-316BManipulation des substrats nettoyés
Bain ultrasoniqueElmaElmaSonic S30HNettoyage au solvant pour le méthanol, l’acétone, l’alcool isopropylique et l’eau DI
UV&ndash ; Nettoyant à l’ozoneNovascan TechnologiesPSDP-UV4Traitement de surface du substrat
Conteneur de stockage sous videEN TANT QUE SEULE CORPORATIONVMStockage de l’échantillon après dépôt
Profilomètre au styletBrukerDektakXTMesure de l’épaisseur d’un film mince
Diffractomètre aux rayons XBrukerAVANCE D8&theta ; &ndash ; 2&theta ; Scans XRD utilisant Cu K & alpha ; Radiation
DIFFRAC. EVABrukerDIFFRAC. EVA version 8Ajustement des pics, analyse de diffraction et tracé de graphes
OrigineOriginLabOriginPro (64 bits)Ajustement de pics et graphique graphique

Références

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