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연구 논문

망간 공동 스퍼터링을 통한 Bi2Te3 박막의 열전적 특성 개선

177 조회수

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DOI:

10.3791/71082

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2026년 6월 5일

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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

이 논문에서

요약

망간 도핑된 Bi2Te-3 박막을 제조하고 망간 투입이 구조적 및 열전 수송 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 고주파 공동 스퍼터 프로토콜이 개발되었습니다. 중간 정도의 망간 함량은 필름 균일성과 파워 팩터 관련 수송 거동을 개선했으며, 높은 망간 투입은 구조적 무도성과 저항성을 증가시켰습니다.

초록

Bi2Te3는 저온 에너지 변환의 기준 n형 열전(TE) 재료로 남아 있으나, 작은 밴드갭 때문에 열로 생성된 기생 캐리어로 인해 효율이 저하될 수 있습니다. TE 성능 향상을 위해 원소 도핑이 연구되었으나, 망간(Mn) 도핑 Bi2Te3 박막에 대한 체계적인 연구는 제한적입니다. 본 연구에서는 고주파 마그네트론 공동 스퍼터 워크플로우를 사용하여 Mn-도핑된 Bi2Te3 박막을 제작하면서도 일정한 Bi2Te 3 증착 조건을 유지하였습니다. 구조, 미세구조, 조성, TE 수송 특성은 X선 회절, 장방출 주사 전자현미경, 에너지 분산 X선 분광법, 온도 의존적 수송 측정을 통해 평가되었습니다. X선 회절은 경합면체 Bi2Te3상이 선호하는 (015) 방향으로 유지되는 것을 확인했으며, 2θ 값 증가로의 피크 이동은 Mn 관련 격자 수축과 일치하였다. 모든 필름은 음의 제벡 계수를 보였으며, 이는 n형 전도임을 확인했다. Mn도핑을 증가시키면 Seebeck 계수의 크기가 증가했지만, 동시에 전기 저항률도 증가하여 수송 균형을 입증했습니다. 5W Mn 출력으로 증착된 필름은 낮은 저항률과 충분한 열전력을 결합해 523 K에서 529.33 μW m−1 K−2의 최고 전력률을 달성했습니다. 이 결과들은 적당한 Mn 도입이 측정된 온도 범위 내에서 Bi2Te3 박막의 전력 계수 관련 성능을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다.

서론

열전(TE) 재료는 주로 지벡 효과와 펠티에 효과를 통해 열을 지속 가능한 전기 에너지로 전환하는 데 중요한 역할을 합니다. TE 재료의 성능은 일반적으로 파워 팩터(PF = S2/ρ)를 사용하여 평가되며, 여기서 S는 지벡 계수이고 ρ는 전기 저항률 1,2입니다. 높은 S와 낮은 ρ가 결합되면 효율적인 캐리어 전송을 나타내며, 이는 폐열 회수, 마이크로 전력 생산, 산업 시스템 및 마이크로일렉트로닉스 분야의 고체 냉각 같은 응용 분야에 필수적입니다 3,4,5.

다양한 TE 재료 중에서 비스무트 텔루라이드(Bi2Te3)는 상온에 가까운 응용에서 그 효율성이 주목할 만합니다. 그러나 실용적 배치는 취성, 기계적 유연성 제한, 그리고 중간 정도의 성능 지표(zT)로 인해 대규모 구현에 어려움을 초래합니다. 특히 마그네트론 스퍼터링을 포함한 박막 제조 기술의 최근 발전은 이러한 한계를 해결할 유망한 접근법을 제공합니다. 박막은 조성 및 미세구조 제어를 개선하여 캐리어 이동성과 기계적 유연성을 향상시키며, 이는 고효율TE 소자에 중요한 요소입니다. 이러한 특성을 RF(RF) 마그네트론 스퍼터링으로 맞춤화하는 능력은 이전에 입증되어 튜닝 가능한 두께와 도핑 수준7을 가진 균일한 Bi2Te3 박막 생산에 활용되었습니다.

특히 망간(Mn)에 대한 양이온 도핑은 Bi2Te3의 TE 특성을 개선하는 유망한 전략으로 떠오르고 있습니다. Mn-도핑된 Bi2Te3에 대한 연구는 다른 도판트 연구보다 광범위하지는 않지만, 관련 시스템의 증거는 Mn 도입이 전기적 및 구조적 특성을 모두 향상시킬 수 있음을 시사합니다8. Mn 포함은 운반체 농도와 이동도에 영향을 미치는 것으로 보고되었으며, 이는 Seebeck 계수와 전기 전도도에 영향을 주어 TE 물질9의 PF를 결정합니다. 또한, Mn 도입은 격자 변형과 점 결함을 유발할 수 있는 치환 또는 결함 관련 통합 메커니즘 측면에서 논의되어 왔습니다. 이러한 변형은 포논 산란을 향상시키고 격자 열전도도를 감소시킬 수 있는데, 이는 TE 성능에 중요한 기여 요소입니다. Bi2Si2Te6과 같은 관련 Mn 도핑 화합물에 대한 연구는 Mn이 전하 수송을 개선하고 국소 자기 모멘트를 도입하여 포논 산란 효과를 강화하고 양극성 전도 감소를 일으킬 수 있음을 시사합니다. 따라서 Mn이 미세구조 진화, 결함 형성, 결정 성장에 미치는 영향은 TE 재료의 기계적 및 열적 안정성 향상에 중요하다10,12.

그러나 과도한 Mn 통합은 MnTe와 같은 2차 단계를 촉진하고 수송 행동을 복잡하게 만들 수 있습니다. 따라서 Mn 입력은 신중하게 제어되어야한다 14. 또한 Mn은 Bi2Te-3 격자 내에 수용체 상태를 도입할 수 있으며, 위상 표면 수송 억제, 틈 개방, 자유 운반체 밀도 감소, 충분한 도핑 하에서 금속에서 절연 또는 국소 전도로의 교차를 통해 전도 거동을 변화시킬 수 있다15,16. 이러한 고려사항은 스퍼터 중 미뉴얼 통합 제어가 신뢰할 수 있는 구조-재산 관계를 확립하는 데 얼마나 중요한지 강조합니다.

최근 연구들은 Mn이Bi-2Te-3 기반 박막에 포함될 수 있으며, 구조와 전자 수송에 측정 가능한 영향을 미칠 수 있음을 보여주었습니다. Bi2−xMnxTe3 박막은 구조 및전기적 특성에서 Mn에 의존적인 변화를 보이며, Mn:Bi 2Te3 박막도 수송 측정을 통해 연구되어 Mn의 통합이 숙주를 완전히 억제하지 않고도 가능함을 시사한다. Bi2Te3 상은19. 최근에는 마그네트론 스퍼터링을 통해 나노결정 Mn 도핑 Bi2Te3 박막 제조가 가능해졌으며, 이는 확장 가능한 박막 증착 방법을 이용한 Mn 통합 가능성을 지지합니다. 그러나 텍스처 엔지니어링, 공반-결함 변조, 캐리어 공학을 통해 최적화된 대표적인 스퍼터 n형 Bi2Te3 박막과 비교할 때, Mn 도핑된 Bi2Te3 박막의 체계적 최적화는 비교적 미흡합니다 7,21. 이 격차가 여기서 제시된 통제된 Mn-입력 연구의 동기가 되었습니다.

본 연구에서는 Mn-도핑된 Bi2Te-3 박막을 제어된 Mn 입력 시리즈를 이용한 RF 마그네트론 공동 스퍼터링으로 준비하였으며, X선 회절(XRD), 전계 방출 주사 전자현미경(FESEM), 에너지 분산 X선 분광법(EDX), 온도 의존적 제벡 계수 및 전기 저항률 측정을 통해 평가하였습니다. 그림 1은 이 작업에서 사용된 공동 스퍼터 구성을 도식적으로 보여줍니다. 목표는 일관된 스퍼터 프레임워크를 사용하여 Mn 입력이 유사한 처리 조건에서 필름 미세구조와 PF 관련 수송 거동에 미치는 영향을 조사하는 것이었습니다.

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그림 1. Mn-도핑된 Bi2Te3 박막 증착에 사용되는 RF 마그네트론 공동 스퍼터 구성의 회로도. Bi2Te3 타겟, Mn 타겟, 기판 홀더, 그리고 증착실 내 기판 위치를 보여주는 공동 스퍼터 배치의 도식화. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

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프로토콜

이 연구에는 인간 참가자, 동물 대상, 생물학적 조직이 사용되지 않았으며; 따라서 기관 윤리 승인은 필요하지 않았습니다.

개요
Mn 도핑된 Bi2Te3 박막은 RF 마그네트론 공동 스퍼터링을 통해 소다석회유리(SLG) 기판 위에 증착되었습니다. 증착은 의도적인 기질 가열 없이 수행되었으며, 스퍼터 시 챔버/기질 온도는 298 K± 1 K로 유지되었습니다. 두 스퍼터 건 모두 표적과 기판 간 거리는 55mm로 고정되었다. Bi2Te3 표적은 고정된 RF 출력인 100W로 작동했으며, Mn 표적 RF 출력은 0, 5, 10, 15W로 조절되어 도핑 시리즈 전반에 걸친 Mn 통합을 조정했습니다. 4 sccm에서 스퍼터링 가스로 아르곤(Ar)이 사용되었으며, 플라즈마 안정화 후 침착 중 작업 압력은 약 (3–5) × 10⁻3 Torr 수준으로 유지되었습니다. 기판 홀더는 필름의 균일성을 지원하기 위해 10 rpm의 단일 고정 방향으로 연속적으로 회전되었습니다. 30분 증착 후 필름 두께는 MnRF 출력에 따라 0.722–1.195 μm 범위였습니다(표 2). 이 프로토콜은 표준 진공 관행과 RF 스퍼터 및 자외선(UV)-오존 장비의 안전한 작동에 익숙함을 전제로 하며, 사용되는 스퍼터 시스템에 따라 약간의 조정이 필요할 수 있습니다.

기질 준비
SLG 기판은 1.5cm × 2.5cm 조각으로 잘라 가장자리를 잡아 오염을 방지한 뒤, 실험실 세제로 철저히 세척했습니다. 기판은 DI수에 희석된 실험실 유리 세제 용액으로 세척한 후, 눈에 띄는 잔여물이 남지 않을 때까지 충분히 헹궈졌습니다. 모든 헹군 단계에는 저항률 ≥18.2 MΩ·cm, 298 K의 DI 워터가 사용되었습니다. 기질들은 37kHz에서 메탄올, 아세톤, 이소프로필 알코올을 사용한 초음파 욕조에서 각각 10분간 순차적으로 세척한 후, 353 K23의 온도 조절 초음파 목욕에서 DI 물에 20분간 헹궈졌습니다. 세척 후, 바닥재는 깨끗한 핀셋으로 가장자리를 고정하고, 순도가 99.99%인 부드러운 질소 가스(N2, 99.99%)로 건조하여 눈에 띄는 액체가 남지 않을 때까지 마른 뒤, 393K로 10분간 핫플레이트에 가열하여 잔여 습기를 제거했습니다. 증착 직전, 기판은 기기의 기본 작동 조건에 따라 10분간 UV-오존 클리너에서 처리되었습니다.

챔버 준비 및 표적 설치
증착 전에 챔버 내부의 먼지를 제거하고 깨끗한 고무 송풍기를 사용해 총을 스퍼터링했습니다. 블로워는 사용 전에 방에서 여러 차례 육안으로 점검하고 입자 유입을 최소화하기 위해 세척되었습니다. 첫 침착 작업 전에 오래된 호일을 제거하고, 방 표면과 기질 홀더를 덮기 위해 신형 중량 알루미늄 호일을 사용했습니다. 포일은 펌핑과 기판 회전 시 이동을 방지하고 이전 침착물의 잔류물로 인한 오염을 줄이기 위해 단단히 고정되었습니다. 챔버 관측창은 약 94mm 직경의 깨끗한 페트리 접시 뚜껑으로 보호되어 창에 필름 축적을 최소화하면서도 사전 스퍼터링 및 증착 시 플라즈마 관측을 가능하게 했습니다. Bi2Te3 표적은 RF 포 1에, Mn 표적은 RF 포 2에 설치되어 두 표적이 중앙에 고정되고 단단히 조립되었으며, 포는 알루미늄 방패로 덮였습니다. 표적에 대한 추가 사전 세척은 이루어지지 않았으며; 그러나 표면 오염과 천연 산화물을 제거하기 위해 사전 스퍼터링 단계에서 표면 조절이 이루어졌습니다. 기질 홀더는 메탄올로 닦고 완전히 말렸습니다. 전기 절연은 이어 멀티미터(연속성 감지) 모드로 점검되었습니다. 접지는 챔버 본체와 총기 하우징 사이에 청각 신호음이 감지될 때 받아들여졌고, 전압 본체와 각 표적 표면(개방 회로) 사이에 음이 감지되지 않을 때 전기 절연이 확인되었습니다.

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그림 2. Mn-도핑된 Bi2Te3 박막 증착에 사용되는 RF 마그네트론 공동 스퍼터 시스템의 주석 사진. 스퍼터링 챔버, RF 건, Bi2Te3 및 Mn 타겟, 기판 홀더, 기판, 냉각 시스템, 진공 펌프, 파라미터 제어 장치 등 박막 증착 시 사용된 대표적인 사진들. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

Mn-도핑된 Bi2Te3 박막 증착
전적
시험 기판은 표적 조절 중 침착 안정성을 평가하기 위해 회전하는 기판 홀더에 처음 배치되었습니다. 챔버 문이 닫히고 펌프다운이 시작되었다. 시작 시 문 주변에 부드러운 압력을 가해 적절한 밀봉을 보장했고, 압력 강하가 게이지에서 확인되었습니다. 챔버 압력은 스퍼터 시스템 컨트롤러와 통합된 시스템 진공 게이지를 사용해 모니터링되었습니다. 펌프 공급은 챔버 압력이 ≤5 × 10⁻³ 토르에 도달할 때까지 계속되었다. 시스템은 안정화 기간 동안 압력 수치가 ~3분간 안정적으로 유지될 때 준비된 것으로 간주되었으며, 이는 ≤2 × 10⁻⁻ Torr의 압력 드리프트에 해당합니다.

냉각 시스템은 288 K로 설정되어 플라즈마 점화 전 두 스퍼터 건을 통해 능동 냉각수 순환을 보장했습니다. 냉각은 재순환된 DI수를 사용해 제공되었습니다. 고순도 아르곤 가스(Ar, ≥99.999%)는 4 sccm에서 주입되어 ~2–5분 동안 안정화되었고, 또는 흐름이 ≥3.9 sccm로 안정적으로 유지될 때까지 기다렸습니다. 기판 회전은 단일 고정 방향으로 10rpm으로 설정되었으며, 사전 스퍼터링과 침착 내내 연속적으로 유지되었습니다. 그 후 RF 전원 공급 장치와 매칭 네트워크 컨트롤러가 전원을 공급받았습니다.

두 RF 총기 모두 최소 /최대 기능을 사용해 매칭 네트워크 설정을 조정하여 Load = 50 W, Tune = 50 W가 될 때까지 조정한 후 컨트롤러 모드가 수동 매칭에서 자동 매칭으로 전환되었습니다. 플라즈마 점화 전에는 반사 전력이 최소화되었고, ≤ 5W 반사 전력이 수용 임계값으로 사용되었습니다. 프리스퍼터 조절을 위해 Bi2Te3 총은 50W, Mn 총은 10W로 설정되어 플라즈마 점화 전이었습니다. 안정 플라즈마는 눈에 띄는 깜빡임이나 갑작스러운 압력 급증 없이 ~1–2분 동안 일정한 빛을 유지하는 것으로 정의되었습니다. 육안 검사 외에도, 반사 전력이 ≤5W를 유지하고 작동 압력 변동이 ±5% 이내로 유지될 때 ~1–2분 동안 플라즈마 안정성이 확인되었습니다. 양쪽 포에서 안정적인 플라즈마가 달성되면, 표적은 표면 오염과 천연 산화물을 제거하기 위해 15분간 사전 스퍼터링되었다. 플라즈마가 점화되지 않으면 스퍼터링이 중단되고, Ar 흐름을 10초간 꺼뜨린 후 흐름을 복원한 후 점화를 재시도하는 짧은 Ar 리셋이 수행되었습니다. 플라즈마 점화는 한 포당 최대 세 번까지 시도되었다. 세 차례 시도 후에도 점화가 실패하면 과정이 종료되고 가스의 흐름, 냉각 순환, 매칭 조건 검사를 위해 시스템을 안전한 대기 상태로 되돌렸습니다. 사전 스퍼터 후 시험 기판을 제거하고 세척된 기판을 증착 실행을 위해 적재했습니다.

박막 증착
증착 작업을 위한 기판을 적재하기 전에, 깨끗한 고무 송풍기를 사용해 챔버 내부와 샘플 홀더 영역의 먼지를 제거했고, 관측창은 플라즈마 관찰을 위한 깨끗한 페트리 접시 뚜껑으로 보호되었습니다. 표적들은 제대로 자리 잡고 중앙에 위치하며 상태가 양호한지 점검되었다. 표적은 표면이 온전하고 균일한 색상으로 보이며, 눈에 띄는 균열, 깊은 구멍, 박리, 아크 모양("화상" 자국), 또는 느슨한 입자가 없을 때 적합하다고 여겨졌습니다. 또한 각 표적은 단단히 고정되어 스퍼터 건 내에서 제대로 중앙에 맞춰야 했습니다. 세척된 기판은 회전하는 홀더의 바깥쪽 영역(홀더 중심에서 약 5–10mm 떨어진 곳)에 대칭적으로 배치되었고, 긴 쪽은 홀더 가장자리와 평행하게 정렬되었습니다(그림 2).

챔버는 5 × 10⁻⁻ Torr 이하의 기준 압력으로 펌핑되었습니다. 첫 퇴적 실행에서는 최소 5시간 또는 기준 압력이 목표 값으로 안정될 때까지 배출이 수행되었습니다. 기저 압력 안정성은 ~10분 동안 ≤5% 압력 드리프트로 정의되었습니다. 기본 압력에 도달한 후 냉각 시스템은 288 K로 안정화되었고, Ar 유량은 4 sccm로 설정되어 안정화되었으며(≥3.9 sccm), 기질 회전은 10 rpm으로 유지되었습니다. 두 포의 매칭 네트워크 설정(Load = 50 W, Tune = 50 W)이 확인되었고, 자동 매칭이 활성화되었습니다.

증착은 Bi2Te3 RF 전력을 100W로 고정하고, MnRF 전력은 첫 Mn-도핑 조건에서 5W로 설정되어 수행되었습니다. 목표물과 기판 간 거리는 Bi2Te3 및 Mn 스퍼터 포 모두에서 55 mm로 고정되었다. 플라즈마 점화를 용이하게 하기 위해, Bi2Te3 기관총은 70W에서 점화한 후 10초마다 5W씩 증가하여 100W에 도달할 수 있었다. 증착 타이머는 Bi2Te3 전력 리드백이 100W로 ~30초 동안 유지되고 플라즈마 안정성이 확인된 후에야 시작되었습니다. 필름은 30분간 보관되었습니다. 주요 공동 스퍼터 매개변수는 표 1에 요약되어 있습니다. 결과적으로 필름 두께는 단면 분석에서 산출된 0.886 μm(0 W), 0.722 μm(5 W), 1.079 μm(10 W), 1.195 μm(15 W)였습니다(표 2). 이 증착 단계는 신선 기판을 사용하여 10 및 15 W의 Mn RF 출력에 대해 Bi2Te3 출력, Ar 유량, 회전 속도, 기저 압력, 온도, 증착 시간을 변경하지 않은 상태로 반복했습니다.

매개변수Bi2Te3 타겟미네소타 타겟
RF 전력 (W)1000, 5, 10, 15
작동 가스아르아르
가스 유량(sccm)44
기저 압력 (토르)5 × 10⁻⁵5 × 10⁻⁵
목표물에서 기질 간 거리 (mm)5555
프리 스퍼터 시간 (분)1515
기판 회전 속도(rpm)1010
침착 온도 (K)298 ± 1298 ± 1
퇴적 시간 (분)3030

표 1: Mn-도핑된 Bi2Te3 박막 제조에 사용되는 RF 마그네트론 공동 스퍼터 파라미터.

증진 후 처리
증적 시간이 끝난 후, 시스템은 종료 절차를 완료할 수 있었습니다. 시스템 컨트롤러를 통해 정지가 시작되었으며, 먼저 RF 출력을 차단한 후 Ar 유량을 0 sccm로 줄였으며, 냉각 시스템은 챔버가 배출되고 스퍼터 건이 주변 온도에 가까운 온도로 돌아올 때까지 작동 상태를 유지했습니다. 장비 손상을 방지하기 위해 터보분자 펌프(TMP)가 더 이상 작동하지 않은 후에야 챔버가 배출되었습니다. TMP 상태 표시기를 확인하여 펌프가 정지했는지(속도 = 0) 후 배출되었습니다. 챔버는 건조 질소를 통해 천천히 배출되어 점진적인 압력 평형화와 입자 교란을 최소화할 수 있도록 했습니다.

압력이 대기압(≈760 Torr)으로 돌아오고 저항 없이 문을 열 수 있을 때에야 챔버가 열렸다. 샘플 채취 시 오염과 미세 입자 노출을 줄이기 위해 마스크와 장갑을 착용했습니다. 샘플은 깨끗한 페트리 접시에 옮겨져 진공 저장 용기에 보관되었습니다. 특성 분석은 일반적으로 퇴적 후 24시간에서 72시간 이내에 수행되었습니다. 샘플 제거 후, 챔버는 약 10–15분 동안 거칠게 펌핑되어 TMP 작동 전 필요한 일반적인 러핑 압력 범위(약 10–1 Torr)에 도달하여 주변 공기와 습기 노출을 줄인 후 나머지 시스템 제어장치를 차단했습니다.

일상적인 성장 후 특성화 및 계산
결정 구조는 Cu Kα 방사선(λ = 1.5406 Å)을 이용한 θ–2θ XRD로 조사하여 Bi2Te3 상 형성, 선호 방향, 그리고 표준 JCPDS/ICDD 문헌과 비교하여 잠재적인 2차 상을 선별하였습니다(24,25). 스캔은 2θ = 5–80° 구간에서 0.05° 스텝 크기, 계단 시간 0.5초의 연속 스캔 모드에서 40 kV와 40 mA의 Cu관을 사용해 수집되었습니다. 반정량적 비교를 위해 시각적으로 검증된 자동 기저선 루틴을 배경 보정한 후 고정된 임계값을 이용한 자동 피크 검색을 수행한 후, 확인된 피크를 PDF26 매칭에 사용했습니다. 회절 패턴은 Bi2Te3(PDF 00-015-0863) 및 Mn 관련 참조 카드(α-Mn(PDF 00-032-0637)와 β-Mn(PDF 00-033-0887)에 매칭되었습니다. 보고된 일치 비율은 박막 선호 방향이 강도 기반 위상 추정치에 편향될 수 있기 때문에 상대적 결정 기여의 비교 지표로만 사용되었습니다.

결정석 크기는 Scherrer 방법27,28을 사용하여 지배적인 Bi2Te3 (015) 반사에서 추정되었습니다. (015) 피크 위치(2θ)는 XRD 패턴에서 기록되었으며, 가우시안 피크 피팅으로 하프 최대 폭(FWHM, β)을 얻었으며, 기준선은 제한된 (015) 피팅 윈도우 내에서 로컬 배경에 고정되어 β 도수 단위로 기록되었습니다. 잔차가 체계적인 편차 없이 최소화될 때 발작이 받아들여졌습니다. 브래그 각도는 θ = (2θ)/2로 계산되었고, β는 다음을 사용하여 라디안으로 변환되었습니다:

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결정석 크기는 셰러 방정식을 사용하여 계산되었습니다:

figure-protocol-3

여기서 K = 0.89, λ = 1.5406 Å, β반지대 는 라디안 단위의 FWHM, θ는 (015) 피크29의 브래그 각이다. 결과된 D 값은 Å에서 nm로 10으로 나누어 변환되었습니다. 미세 변형(ε)은 최대 확장에서 다음과 같이 추정되었습니다:

figure-protocol-4

여기서 β 는 라디안 단위의 FWHM, θ는 브래그 각도30이다. 전위 밀도(δ)는 결정 내 결함 밀도를 나타내며, 크리스탈라이트 크기를 바탕으로 다음과 같이 계산되었습니다:

figure-protocol-5

여기서 D는 결정석 크기입니다. 이 연구에서 D는 nm 단위로 표현되었으므로 δ nm−² 31 단위로 보고되었다. β 변환, 수정 크기, 미세 변형률, 전위 밀도 등 대표적인 구조 계산은 보충 표 1에 요약되어 있습니다.

표면 미세구조는 FESEM으로 평가되었으며, 3.0 kV 환경에서 일관된 영상 조건(100.0 k× 배율, 시야각 = 2.79 μm, 스케일 바 = 100 nm)를 사용하여 모든 Mn 조건에서 직접 비교32를 수행하였습니다. 샘플은 전도성 탄소 테이프를 사용해 알루미늄 스텁에 부착되었습니다. 전도성 코팅은 적용되지 않았으며; 충전은 저가속 전압(3.0 kV)과 안정적인 영상 조건을 사용하여 최소화되었습니다. 필름 조성은 전자현미경33과 통합된 검출기와 함께 획득된 EDX를 사용하여 평가되었습니다. EDX 점 스펙트럼은 점 분석 모드에서 작동 거리 ~8.0–8.2 mm로 15.0 kV에서 획득되었습니다. 획득은 기기의 기본 설정을 사용하여 수행되었으며, 배경 뺄셈을 이용한 정량적 분석을 통해 wt.% 및 at.% 값을 보고하였습니다.

인플레인 TE 전송은 Seebeck/저항률 측정 시스템을 사용하여 측정되었습니다. 박막 샘플(~2.0 cm × 1.5 cm)은 백금 4접점 어댑터를 사용해 장착되었으며(그림 3), 약 25 K34의 온도 구배 하에서 Pt 표준과 비교해 Seebeck 계수(S)를 측정했습니다. 측정은 323–523 K에서 헤일 가스 대기(~1기압)에서 단계별로 수행되었습니다. 설정점 간 온도는 평균 ~5–6 K·min⁻¹으로 증가했으며, 각 설정점에서 샘플은 S와 ρ 수치가 안정될 때까지 평형을 유지했습니다(보통 ~2–3분). 그 후 각 온도 지점마다 1.5분 간격으로 3회의 연속 측정이 기록되었습니다. PF 값은 측정된 S (V/K)와 전기 저항률 ρ (Ω·m)를 기준으로 다음 식35를 사용하여 계산되었습니다:

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그림 3. 플래티넘 4접점 어댑터를 이용한 평면 내 열전(TE) 측정용 박막 장착 구성. 백금 어댑터, 열전쌍 프로브, 전기 접점 패드 등 Mn-도핑된 Bi2Te3 박막의 장착 배치를 보여주는 대표적인 사진들입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

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결과

Mn 파워 시리즈(0, 5, 10, 15 W)의 대표적인 결과가 제시되며, 구조 및 수송 비교의 통제 조건으로 무도핑 필름(0 W)을 사용합니다.

결정 구조(XRD)
XRD 패턴은 그림 4에서 볼 수 있듯이 모든 샘플이 Mn의 전력 계열 전반에 걸쳐 삼모면체 Bi2Te3상(JCPDS No. 15-0863)을 유지함을 확인시켜 줍니다. 강한 (015) 선호 방향을 포함한 우세한 반사는 Bi2Te3 결정 구조가 Mn 공동 스퍼터 후에도 보존되었음을 나타냅니다. Mn 통합의 주요 지표는 Mn 입력이 증가함에 따라 지배 회절 피크가 더 높은 2θ 값으로 약간 이동하는 것입니다. 이 이동은 그림 5의 겹쳐진 X...

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토론

이 연구는 Bi 2Te3타겟 전력을 일정하게 유지하면서 Mn RF 입력을 제어하여 Bi2Te3 박막의 TE 거동을 맞춤화하는 RF 공동 스퍼터 워크플로우를 입증했습니다. XRD는 모든 샘플에서 선호되는 (015) 방향으로 삼름모면체 Bi2Te3상(JCPDS No. 15-0863)의 존재를 확인했습니다. (015) 반사가 더 높은 2θ 값으로 체계적으로 이동하는 것은 Mn 관련 격자 수축과 XRD 검출 한계 내 Mn 포함 가능성과 일치하며, 표 2에 나타난 피크 확장, ε값 증가, δ 값 증가는 높은 Mn 입력에서 격자 왜곡과 결함 밀도 증가를 뒷받침합니다33,57. FESEM 관측은 또한 저 Mn 입력에...

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공개 사항

저자들은 상충하는 재정적 이해관계나 기타 이해 충돌이 없음을 선언합니다.

감사의 글

저자들은 말레이시아 국민대학교(Universiti Kebangsaan Malaysia)의 지원금(GGPM-2022-069)에 감사드립니다. 저자들은 또한 이 연구 기간 동안 기술 지원과 실험실 시설 접근을 제공해 준 말레이시아 국립대학교(UKM) 태양에너지연구소(SERI)에 감사를 표합니다. 저자들은 XRD 및 FESEM–EDX 시설을 제공해 준 연구 및 계측 관리 센터(CRIM)에 감사를 표합니다. 또한, 저자들은 말레이시아 과학대학교(Universiti Islam Malaysia, USIM)가 Seebeck 계수 및 전기 저항 측정에 사용되는 Seebeck/저항률 측정 시스템에 접근할 수 있도록 진심으로 감사드립니다. 마지막으로, 저자들은 이 프로젝트의 성공적인 완수에 기여한 모든 동료와 직원들에게 감사의 뜻을 전합니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
아세톤 (≥ 99.5%)머크100012기질 세척 용제
알루미늄 호일포스페이퍼롤86871915챔버 라이닝과 기질 홀더 덮개
아르곤 가스(Ar)가스링크 인더스트리얼 가스 Sdn. Bhd.해당 없음 (유통업체에서 제공)작동하는 가스가 튕겨 나오고; 4 sccm 유량; 등급 5.0 (99.999%)
비스무트 텔루라이드 스퍼터 타겟, 직경 50.8 mm, 두께 4.25 mm, 99.999%창사 신캉 첨단 소재 유한회사.xk-Bi2Te3Bi2Te3 목표; 고정 RF 전력 = 100W
탈이온수사내해당 없음기질 세척 및 초음파 세척
에너지 분산형 X선 분광기 검출기FESEM 시스템과 통합해당 없음박막 조성 분석
전계 방출 주사 전자현미경칼 자이스수프라 55VP표면 미세구조 이미징
유리 기판, 소다-라임 유리, 두께 1.1 mm메비드B105-2002박막 증착용 기판
핫플레이트이카C-MAG HS 7393 K에서 기질 건조
이소프로필 알코올 (≥ 99.8%)머크109634기질 세척 용제
실험실 세제머크107553초기 기질 청소
냉각수 순환 장치피셔 사이언티브250 LCU스퍼터 건의 냉각 순환
메탄올 (≥ 99.9%)머크106009기질 세척 용제
망간 스퍼터 타겟, 직경 50.8 mm, 두께 5.08 mm, 99.999%후난보유 테크놀로지 유한회사.해당 없음미네소타 목표; RF 전력은 0에서 15W까지 다양했습니다
멀티미터RS 프로EN61010-1 CATIII전기적 절연 검증
질소 가스 (N2)가스링크 인더스트리얼 가스 Sdn. Bhd.해당 없음 (유통업체에서 제공)세척 후 바닥재 건조; 4.0등급 (99.99%)
페트리 접시 뚜껑머크41121812챔버 뷰잉 윈도우 보호; 직경 약 94mm와 시간; 높이 16 mm
RF 마그네트론 스퍼터 시스템맞춤 제작해당 없음Bi2Te3 및 Mn 박막의 공동 스퍼터링
백금 어댑터가 포함된 Seebeck/저항률 측정 시스템린세이스LSR-3 (LSR L31)지벡 계수 및 전기 저항률 측정
핀셋피셔 사이언티브10-316B세척된 기질 취급
초음파 욕조엘마엘마소닉 S30H메탄올, 아세톤, 이소프로필 알코올, DI 워터의 용매 세척
UV– 오존 세정제노바스칸 테크놀로지PSDP-UV4기질 표면 처리
진공 저장 용기AS 원 코퍼레이션VM증착 후 샘플 저장
스타일러스 프로필로미터브루커DektakXT박막 두께 측정
X선 회절계브루커D8 어드밴스θ – 2θ Cu K&α를 이용한 XRD 스캔; 방사선
회절 실험. EVA브루커회절 실험. EVA 버전 8피크 적합, 회절 해석, 그래프 플롯
기원오리진랩오리진프로 (64비트)피크 적합 및 그래프 플롯

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