Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Onderzoeksartikel

Verbetering van thermo-elektrische eigenschappen van Bi2Te3 dunne films door mangaan co-sputtering

178 weergaven

⸱

DOI:

10.3791/71082

⸱

5 juni 2026

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

In dit artikel

Samenvatting

Er werd een radiofrequentie co-sputterprotocol ontwikkeld om mangaan-gedopeerde Bi2Te3 dunne films te vervaardigen en te evalueren hoe mangaaninput de structurele en thermo-elektrische transporteigenschappen beïnvloedt. Matige mangaanopname verbeterde de filmuniformiteit en het vermogensfactor-gerelateerde transportgedrag, terwijl een hogere mangaaninvoer structurele wanorde en weerstand vergrootte.

Samenvatting

Bi2Te3 blijft een benchmark n-type thermo-elektrisch (TE) materiaal voor energieconversie bij lage temperatuur, maar de kleine bandkloof kan de efficiëntie verminderen door thermisch gegenereerde parasitaire dragers. Elementaire doping is onderzocht om de TE-prestaties te verbeteren, hoewel systematische studies met mangaan (Mn)-gedopeerde Bi2Te3 dunne films beperkt blijven. In deze studie werd een radiofrequentie magnetron co-sputtering workflow gebruikt om Mn-gedopeerde Bi2Te3 dunne films te fabriceren door het vermogen van het Mn-doel te variëren, terwijl constante Bi2Te 3-afzettingscondities werden gehandhaafd. Structurele, microstructurele, samenstellende en TE-transporteigenschappen werden geëvalueerd met behulp van röntgendiffractie, veldemissie scanning elektronenmicroscopie, energiedispersieve röntgenspectroscopie en temperatuurafhankelijke transportmetingen. Röntgendiffractie bevestigde behoud van de rhombohedrale Bi2Te3-fase met een voorkeursoriëntatie (015), terwijl piekverschuivingen naar hogere 2θ-waarden consistent waren met Mn-gerelateerde roostercontractie. Alle films vertoonden negatieve Seebeck-coëfficiënten, wat de n-type geleiding bevestigt. Toenemende Mn-doping verhoogde de grootte van de Seebeck-coëfficiënt maar verhoogde ook de elektrische weerstand, wat een transportafweging aantoont. De film die bij 5 W Mn vermogen werd aangebracht, bereikte de hoogste vermogensfactor van 529,33 μW m−1 K−2 bij 523 K vanwege de lage weerstand gecombineerd met voldoende thermovermogen. Deze resultaten tonen aan dat matige opname van Mn de vermogensfactor-gerelateerde prestaties van Bi2Te3 dunne films binnen het gemeten temperatuurbereik kan verbeteren.

Inleiding

Thermo-elektrische (TE) materialen spelen een cruciale rol in de duurzame omzetting van warmte in elektrische energie, voornamelijk via de Seebeck- en Peltier-effecten. De prestaties van TE-materialen worden doorgaans geëvalueerd met behulp van de vermogensfactor (PF = S2/ρ), waarbij S de Seebeck-coëfficiënt is en ρ de elektrische weerstand 1,2. Een hoge S gekoppeld aan lage ρ duidt op efficiënt draagtransport, wat essentieel is voor toepassingen zoals afvalwarmteterugwinning, micro-energieopwekking en vaste-geleiderkoeling in industriële systemen en micro-elektronica 3,4,5.

Onder verschillende TE-materialen is bismut-telluride (Bi2Te3) opmerkelijk vanwege zijn efficiëntie bij toepassingen bij bijna kamertemperatuur. De praktische inzet wordt echter beperkt door brosheid, beperkte mechanische flexibiliteit en een gematigd waardepercentage (zT), wat bijdraagt aan uitdagingen bij grootschalige implementatie2. Recente ontwikkelingen in dunnefilmfabricagetechnologieën, met name magnetronsputtering, bieden veelbelovende benaderingen om deze beperkingen aan te pakken. Dunne films maken verbeterde controle over samenstelling en microstructuur mogelijk, wat de draaggolfsnelheid en mechanische flexibiliteit kan vergroten, beide belangrijk voor hoogefficiënte TE-apparaten6. Het vermogen om deze eigenschappen aan te passen met behulp van radiofrequentie (RF) magnetronsputtering is eerder gedemonstreerd, wat het gebruik ervan ondersteunt voor het produceren van uniforme Bi2Te3 dunne films met instelbare diktes en dopingniveaus7.

Kationische doping, met name met mangaan (Mn), is uitgegroeid tot een veelbelovende strategie om de TE-eigenschappen van Bi2Te3 te verbeteren. Hoewel onderzoek naar Mn-gedopeerde Bi2Te3 minder uitgebreid is dan studies met andere dopanten, suggereert bewijs uit gerelateerde systemen dat Mn-incorporatie zowel elektrische als structurele eigenschappen kan verbeteren8. Er is gerapporteerd dat de opname van Mn de dragerconcentratie en mobiliteit beïnvloedt, wat de Seebeck-coëfficiënt en elektrische geleidbaarheid beïnvloedt, die samen de PF van TE-materiaal9 bepalen. Daarnaast is Mn-incorporatie besproken in termen van substitutie- of defect-gerelateerde incorporatiemechanismen die roosterspanning en puntdefecten kunnen introduceren. Deze aanpassingen kunnen de fononverstrooiing verbeteren en mogelijk de thermische geleidbaarheid van het rooster verminderen, beide belangrijke bijdragen aan de TE-prestatie10. Onderzoek naar verwante Mn-gedopeerde verbindingen zoals Bi2Si2Te6 suggereert dat Mn ook het ladingstransport kan verbeteren en gelokaliseerde magnetische momenten kan introduceren, wat de fononverstrooiingseffecten kan versterken en de bipolaire geleiding11 kan verminderen. Daarom is de invloed van Mn op microstructurele evolutie, defectvorming en korrelgroei belangrijk voor het verbeteren van de mechanische en thermische stabiliteit van TE-materialen 10,12.

Overmatige incorporatie van Mn kan echter secundaire fasen zoals MnTe bevorderen en het transportgedragcompliceren. daarom moet de Mn-invoer zorgvuldig worden gecontroleerd14. Daarnaast kan Mn acceptortoestanden introduceren binnen het Bi2Te3-rooster en mogelijk het geleidingsgedrag veranderen door onderdrukking van topologisch oppervlaktransport, het openen van een opening, verminderde vrije-dragerdichtheid en een overgang van metaal naar isolerende of lokale geleiding bij voldoende doping15,16. Deze overwegingen benadrukken het belang van het controleren van de incorporatie van Mainton tijdens sputtering om betrouwbare structuur–eigendomsrelaties tot stand te brengen17.

Recente studies hebben aangetoond dat Mn kan worden opgenomen in op Bi2Te3 gebaseerde dunne films en meetbaar invloed kan hebben op structuur en elektronisch transport. Bi2−xMnxTe3 dunne films vertonen Mn-afhankelijke veranderingen in structurele en elektrische eigenschappen18, terwijl Mn:Bi2Te3 dunne films ook zijn onderzocht via transportmetingen, wat aangeeft dat Mn-incorporatie kan plaatsvinden zonder de gastheer Bi2Te3 fase19 volledig te onderdrukken. Meer recentelijk heeft magnetronsputtering de bereiding mogelijk gemaakt van nanokristallijne Mn-gedopeerde Bi2Te3 dunne films, wat de haalbaarheid van Mn-incorporatie ondersteunt met schaalbare dunnefilmafzettingsbenaderingen20. Echter, vergeleken met representatieve gesputterde n-type Bi2Te3 dunne films geoptimaliseerd via textuurengineering, vacancy-defectmodulatie en carrier engineering, blijft systematische optimalisatie van Mn-gedopeerde Bi2Te3 dunne films relatief onderontwikkeld 7,21. Deze kloof motiveerde de hier gepresenteerde gecontroleerde Mn-input studie.

In deze studie werden Mn-gedopte Bi2Te3 dunne films voorbereid door RF-magnetronco-sputtering met een gecontroleerde Mn-ingangsserie en geëvalueerd met röntgendiffractie (XRD), veldemissie-scanning elektronenmicroscopie (FESEM), energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDX) en temperatuurafhankelijke Seebeck-coëfficiënten- en elektrische resistiviteitsmetingen. Figuur 1 illustreert schematisch de co-sputtering configuratie die in dit werk wordt gebruikt. Het doel was om een consistent sputter-framework te gebruiken om te onderzoeken hoe Mn-invoer de filmmicrostructuur en PF-gerelateerd transportgedrag beïnvloedt onder vergelijkbare verwerkingsomstandigheden22.

figure-introduction-1
Figuur 1. Schema van de RF-magnetron co-sputterende configuratie die wordt gebruikt voor Mn-gedopeerde Bi2Te3 dunne film depositie. Schematische weergave van de co-sputterende opstelling toont het Bi2Te3-doel , Mn-doel, substraathouder en substraatpositie binnen de afzettingskamer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

In deze studie werden geen menselijke deelnemers, dierlijke proefpersonen of biologische weefsels gebruikt; Daarom was institutionele ethische goedkeuring niet vereist.

Overzicht
Mn-gedopeerde Bi2Te3 dunne films werden aangebracht op soda-kalkglas (SLG) substraten door RF-magnetron co-sputtering. Deposities werden uitgevoerd zonder opzettelijke substraatverwarming, en de kamer-/substraattemperatuur tijdens het sputteren bleef op 298 K ± 1 K. De afstand tussen doel en substraat was vastgesteld op 55 mm voor beide sputterkanonnen. Het Bi2Te3 doelwit werd bediend met een vast RF-vermogen van 100 W, terwijl het RF-vermogen van het Mn-doel werd gevarieerd (0, 5, 10 en 15 W) om de Mn-incorporatie over de dopingsserie af te stemmen. Argon (Ar) werd gebruikt als sputtergas bij 4 sccm, en na plasmastabilisatie bleef de werkdruk tijdens afzetting ongeveer (3–5) × 10⁻3 Torr. De substraathouder werd continu gedraaid met 10 toeren per minuut in één vaste richting om filmuniformiteit te ondersteunen. De filmdiktes na 30 minuten afzetting varieerden van 0,722–1,195 μm, afhankelijk van het Mn RF-vermogen (Tabel 2). Dit protocol gaat uit van vertrouwdheid met de standaard vacuümpraktijk en veilige werking van RF-sputtering en ultraviolet (UV)–ozon apparatuur, en kleine aanpassingen kunnen nodig zijn afhankelijk van het gebruikte sputtersysteem23.

Substraatvoorbereiding
SLG-substraten werden in stukken van 1,5 cm × 2,5 cm gesneden, aan de randen vastgehouden om besmetting te voorkomen, en grondig gewassen met laboratoriumwasmiddel. De substraten werden gereinigd met een verdunde laboratoriumglaswasmiddel, bereid in DI-water, en vervolgens grondig afgespoeld totdat er geen zichtbaar residu meer achterbleef. DI-water met een weerstand van ≥18,2 MΩ·cm bij 298 K werd voor alle spoelstappen gebruikt. De substraten werden vervolgens sequentieel gereinigd in een ultrasoon bad met methanol, aceton en isopropylalcohol gedurende elk 10 minuten op 37 kHz, gevolgd door 20 minuten spoelen in DI-water in een temperatuurgecontroleerd ultrasoon bad bij 353 K23. Na het schoonmaken werden de substraten aan de randen vastgehouden met een schone pincet, gedroogd met zacht stikstofgas (N2, 99,99% zuiverheid) totdat er geen zichtbare vloeistof meer over was, en 10 minuten verwarmd op een warme plaat op 393 K om restvocht te verwijderen. Direct voor de afzetting werden substraten 10 minuten behandeld in een UV-ozonreiniger volgens de standaard bedrijfsomstandigheden van het instrument.

Kamervoorbereiding en doelinstallatie
Voor de depositie werd stof uit het interieur van de kamer en sputtergeweren verwijderd met een schone rubberen blazer. De blower werd visueel geïnspecteerd en meerdere keren verwijderd van de kamer voordat hij werd gebruikt om per ongeluk deeltjesinbreng te minimaliseren. Voor de eerste depositieronde werd oude folie verwijderd en werd vernieuwd, zwaar aluminiumfolie gebruikt om de kameroppervlakken te bekleden en de substraathouder te bedekken. De folie werd stevig vastgezet om verschuivingen tijdens het pompen en het roteren van het substraat te voorkomen en om besmetting door residuen van eerdere afzettingen te verminderen. Het kijkvenster van de kamer werd beschermd met een schoon petrischaaldeksel (ongeveer 94 mm diameter) om filmophoping op het venster te minimaliseren, terwijl plasmaobservatie tijdens pre-sputtering en depositie nog mogelijk was. Het Bi2Te3-doel werd op RF-kanon 1 geïnstalleerd en het Mn-doel op RF-kanon 2 (Figuur 2), zodat beide doelen gecentreerd en stevig geassembleerd waren, en de kanonnen werden bedekt met aluminium schilden. Er werd geen extra reiniging uitgevoerd voor gebruik op de doelen; Echter, oppervlakteconditionering werd uitgevoerd tijdens de pre-sputterfase om oppervlakteverontreiniging en natuurlijke oxiden te verwijderen. De substraathouder werd met methanol afgeveegd en volledig laten drogen. De elektrische isolatie werd vervolgens gecontroleerd met een multimeter in continuïteitsmodus (audible). Aarding werd geaccepteerd wanneer een hoorbare toon werd gedetecteerd tussen het kamerlichaam en de behuizing van het kanon, terwijl elektrische isolatie werd bevestigd wanneer er geen toon werd gedetecteerd tussen het kamerlichaam en elk doeloppervlak (open circuit).

figure-protocol-1
Figuur 2. Geannoteerde foto's van het RF-magnetron co-sputtersysteem dat wordt gebruikt voor Mn-gedopeerde Bi2Te3 dunne film afzetting. Representatieve foto's die de sputterkamer, RF-kanonnen, Bi2Te3 en Mn doelen, substraathouder, substraten, koelsysteem, vacuümpomp en parametercontrole-eenheden die tijdens dunne film depositie worden gebruikt, tonen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Mn-gedopeerde Bi2Te3 dunne film afzetting
Pre-depositie
Testsubstraten werden aanvankelijk op de roterende substraathouder geplaatst om de afzettingsstabiliteit tijdens de doelconditionering te evalueren. De kamerdeur werd gesloten en de pomp werd gestart. Er werd aan het begin zachte druk rond de deur uitgeoefend om een goede afdichting te garanderen, en de drukval werd bevestigd op de meter. De kamerdruk werd gemonitord met behulp van de vacuümmeter van het systeem, geïntegreerd met de sputterende systeemregelaar. Het pompen ging door tot de kamerdruk ≤5 × 10−3 Torr bereikte. Het systeem werd als gereed beschouwd wanneer de drukmeting stabiel bleef gedurende ~3 minuten, wat overeenkomt met een drukafwijking van ≤2 × 10−4 Torr tijdens de stabilisatieperiode.

Het koelsysteem werd ingeschakeld en ingesteld op 288 K, waardoor actieve koelvloeistofcirculatie via beide sputterkanonnen werd gegarandeerd vóór plasmaontsteking. Koeling werd verzorgd met gerecirculeerd DI-water. Argongas met hoge zuiverheid (Ar, ≥99,999%) werd geïntroduceerd bij 4 sccm en liet stabiliseren gedurende ~2–5 minuten, of totdat de stroom stabiel bleef op ≥3,9 sccm. De rotatie van het substraat werd ingesteld op 10 rpm in één vaste richting en continu gehandhaafd gedurende het pre-sputteren en deponeren. De RF-voeding en de matching-netwerkcontroller werden vervolgens ingeschakeld.

Voor beide RF-kanonnen werden de matching-netwerkinstellingen aangepast met de Min/Max-functie tot Load = 50 W en Tune = 50 W, waarna de controllermodus werd overgeschakeld van Manual naar Auto matching. Het gereflecteerde vermogen werd geminimaliseerd vóór de plasmaontsteking, en ≤5 W gereflecteerd vermogen werd gebruikt als acceptatiedrempel. Voor pre-sputter conditionering werd het RF-vermogen ingesteld op 50 W op het Bi2Te 3-kanon en 10 W op het Mn-kanon vóór plasmaontsteking. Stabiel plasma werd gedefinieerd als een constante gloed die ~1–2 minuten werd gehandhaafd zonder zichtbare flikkering of plotselinge drukpieken. Naast visuele inspectie werd de plasmastabiliteit bevestigd wanneer het gereflecteerde vermogen ≤5 W bleef en de werkdrukfluctuaties binnen ±5% bleven gedurende ~1–2 minuten. Zodra stabiel plasma bij beide kanonnen was bereikt, werden de doelen 15 minuten vooraf gesputterd om oppervlakteverontreiniging en natuurlijke oxiden te verwijderen. Als plasma niet ontstoken, werd het sputteren gestopt en werd een korte AR-reset uitgevoerd door de AR-stroom 10 seconden uit te schakelen en vervolgens de stroom te herstellen voordat opnieuw ontbranding werd geprobeerd. Plasmaontsteking werd tot drie keer per wapen geprobeerd. Als de ontsteking na drie pogingen niet succesvol bleef, werd het proces beëindigd en werd het systeem teruggebracht naar een veilige stand-by-toestand voor inspectie van de gasstroom, koelcirculatie en bijbehorende omstandigheden. Na het voorsputteren werden de testsubstraten verwijderd en werden de gereinigde substraten geladen voor de depositierun.

Dunnefilmafzetting
Voordat substraten werden geladen voor de afzettingsrun, werd stof uit het interieur van de kamer en het gebied van de monsterhouder verwijderd met een schone rubberen blazer, en het kijkvenster bleef beschermd met een schoon petrischaaldeksel voor plasma-observatie. De doelen werden geïnspecteerd om te verzekeren dat ze goed zaten, gecentreerd en in goede staat verkeerden. Doelen werden als geschikt beschouwd wanneer het oppervlak intact en uniform van kleur leek, zonder zichtbare scheuren, diepe kuilen, delaminatie, boogvlekken ("brandplekken") of losse deeltjes. Daarnaast moest elk doel stevig worden vastgeklemd en correct gecentreerd binnen het sputterkanon. Gereinigde substraten werden symmetrisch geplaatst nabij het buitenste deel van de roterende houder (ongeveer 5–10 mm van het midden van de houder), waarbij de langere zijde parallel aan de houerrand was uitgelijnd (Figuur 2).

De kamer werd vervolgens teruggepompt tot een basisdruk van 5 × 10−5 Torr of lager. Voor de eerste afzettingsronde werd de evacuatie minimaal 5 uur uitgevoerd of totdat de basisdruk stabiliseerde op de doelwaarde. Basisdrukstabiliteit werd gedefinieerd als ≤5% drukdrift over ~10 minuten. Na het bereiken van de basisdruk werd het koelsysteem gestabiliseerd op 288 K, werd de Ar-stroom ingesteld op 4 sccm en gestabiliseerd (≥3,9 sccm), en bleef de rotatie van het substraat op 10 rpm behouden. Matching-netwerkinstellingen voor beide wapens werden bevestigd (Lading = 50 W en Afstellen = 50 W), en automatische matching werd ingeschakeld.

Depositie werd uitgevoerd met Bi2Te3 RF-vermogen vastgesteld op 100 W en Mn RF-vermogen aanvankelijk ingesteld op 5 W voor de eerste Mn-gedopte toestand. De afstand tussen doel en substraat was vastgesteld op 55 mm voor zowel de Bi2Te3 als de Mn sputterkanonnen. Voor gemakkelijker plasmaontsteking kon het Bi2Te 3-kanon worden gestart bij 70 W en vervolgens elke 10 seconden met 5 W worden verhoogd tot het 100 W werd bereikt. De depositietimer werd pas gestart nadat de Bi2Te3 power readback op 100 W bleef voor ~30 seconden en plasmastabiliteit was bevestigd. De films werden 30 minuten ingeleverd. Belangrijke co-sputterende parameters worden samengevat in Tabel 1. De resulterende filmdiktes waren 0,886 μm (0 W), 0,722 μm (5 W), 1,079 μm (10 W) en 1,195 μm (15 W), zoals bepaald uit dwarsdoorsnede-analyse (Tabel 2). De afzettingsstappen werden herhaald voor Mn RF-vermogens van 10 en 15 W met verse substraten, terwijl Bi2Te3-vermogen, Ar-stroom, rotatiesnelheid, basisdruk, temperatuur en afzettingstijd ongewijzigd bleven.

ParameterBi2Te3 DoelMn Target
RF-vermogen (W)1000, 5, 10, 15
WerkgasArAr
Gasdebiet (sccm)44
Basisdruk (Torr)5 × 10⁻⁵5 × 10⁻⁵
Afstand tussen doel en substraat (mm)5555
Pre-sputtering tijd (min)1515
Rotatiesnelheid (rpm) van het substraat1010
Afzettingstemperatuur (K)298 ± 1298 ± 1
Afzettingstijd (min)3030

Tabel 1: RF-magnetron co-sputterende parameters gebruikt voor de fabricage van Mn-gedopeerde Bi2Te3 dunne films.

Behandeling na depositie
Nadat de depositietijd was voltooid, mocht het systeem zijn afsluitingssequentie voltooien. De uitschakeling werd gestart via de systeemcontroller: eerst werd de RF-uitgang uitgeschakeld, gevolgd door een vermindering van de Ar-stroom tot 0 sccm, terwijl het koelsysteem actief bleef totdat de kamer werd geventileerd en de sputterkanonnen terugkeerden naar bijna omgevingstemperatuur. De kamer werd pas geventileerd nadat de turbomoleculaire pomp (TMP) niet meer draaide om schade aan apparatuur te voorkomen. De TMP-statusindicator werd gecontroleerd om te bevestigen dat de pomp was gestopt (snelheid = 0) voordat hij werd geventileerd. De kamer werd langzaam geventileerd met droge stikstof via het ventilatieventiel om geleidelijke drukgelijkstelling mogelijk te maken en deeltjesverstoring te minimaliseren.

De kamer werd pas geopend nadat de druk was teruggekeerd naar ongeveer de atmosferische druk (≈760 Torr) en de kamerdeur kon zonder weerstand worden geopend. Tijdens het verwijderen van het monster werden een masker en handschoenen gedragen om besmetting en blootstelling aan fijne deeltjes te verminderen. Monsters werden overgebracht in een schone petrischaal en bewaard in een vacuümreservoir. Karakterisering werd doorgaans uitgevoerd binnen 24–72 uur na afzetting. Na het verwijderen van het monster werd de kamer ongeveer ~10–15 minuten ruw gepompt totdat het gebruikelijke ruwdrukbereik voor TMP-werking werd bereikt (ongeveer 10–1 Torr) om blootstelling aan omgevingslucht en vocht te verminderen, voordat de resterende systeembesturing werd uitgeschakeld.

Routinematige karakterisering en berekeningen na de groei
De kristalstructuur werd onderzocht met θ–2θ XRD met behulp van Cu Kα-straling (λ = 1,5406 Å) om de vorming van de Bi2Te3-fase, voorkeursoriëntatie te bevestigen en om potentiële secundaire fasen te screenen door te vergelijken met standaard JCPDS/ICDD-referenties24,25. Scans werden verzameld over 2θ = 5–80° met een stapgrootte van 0,05° en een teltijd van 0,5 s per stap in continue-scanmodus, met een Cu-buis die werkte op 40 kV en 40 mA. Voor semi-kwantitatieve vergelijking werden patronen gecorrigeerd met een visueel geverifieerde geautomatiseerde baselineroutine, gevolgd door automatische piekzoektocht met een vaste drempel, waarna de geïdentificeerde pieken werden gebruikt voor PDF-matching26. De diffractiepatronen werden gekoppeld aan Bi2Te3 (PDF 00-015-0863) en Mn-gerelateerde referentiekaarten, waaronder α-Mn (PDF 00-032-0637) en β-Mn (PDF 00-033-0887). De gerapporteerde matchpercentages werden alleen gebruikt als vergelijkende indicatoren van relatieve kristallijne bijdrage omdat de voorkeursoriëntatie van dunne film intensiteitsgebaseerde faseschattingen kan vertekenen.

De kristallietgrootte werd geschat uit de dominante Bi2Te3 (015) reflectie met behulp van de Scherrer-methode27,28. De (015) piekpositie (2θ) werd geregistreerd vanuit het XRD-patroon, en de volledige breedte bij half maximum (FWHM, β) werd verkregen door Gaussische piekpassing met de basislijn vastgezet aan de lokale achtergrond over een beperkt (015) fittingvenster, waar β in graden werd geregistreerd. Fits werden geaccepteerd wanneer residuen werden geminimaliseerd zonder systematische afwijking. De Bragg-hoek werd berekend als θ = (2θ)/2, en β werd omgezet naar stralen met behulp van:

figure-protocol-2

De kristallietgrootte werd vervolgens berekend met behulp van de Scherrervergelijking:

figure-protocol-3

waarbij K = 0,89, λ = 1,5406 Å, βrad de FWHM in radialen is, en θ de Bragg-hoek van de (015) piek29. De resulterende D-waarden werden omgezet van Å naar nm door te delen door 10. De microstrain (ε) werd geschat vanaf de piekverbreding met behulp van:

figure-protocol-4

waarbij β de FWHM in radialen is en θ de Bragg-hoek30. De dislocatiedichtheid (δ), die de defectdichtheid binnen het kristal weergeeft, werd berekend uit de kristallietgrootte met behulp van:

figure-protocol-5

waarbij D de kristallietgrootte is. In dit werk werd D uitgedrukt in nm, en daarom werd δ gerapporteerd in nm−2 31. Representatieve structurele berekeningen, waaronder β conversie, kristallietgrootte, microrek en dislocatiedichtheid, worden samengevat in Aanvullende Tabel 1.

De oppervlaktemicrostructuur werd beoordeeld door FESEM, werkte op 3,0 kV met consistente beeldvormingsomstandigheden (100,0 k× vergroting, gezichtsveld = 2,79 μm, schaalbalk = 100 nm) over alle Mn-condities voor directe vergelijking32. Monsters werden op aluminium stompjes gemonteerd met geleidend koolstoftape. Er werd geen geleidende coating aangebracht; het opladen werd geminimaliseerd door gebruik te maken van een lage versnellingsspanning (3,0 kV) en stabiele beeldvormingsomstandigheden. De filmsamenstelling werd geëvalueerd met behulp van EDX die werd verkregen met de detector geïntegreerd met de elektronenmicroscoop33. EDX-puntspectra werden verkregen bij 15,0 kV met een werkafstand van ~8,0–8,2 mm in puntanalysemodus. De acquisitie werd uitgevoerd met de standaardinstellingen van het instrument, en kwantitatieve analyse met achtergrondaftrekking werd gebruikt om wt.%- en at.%-waarden te rapporteren.

Het TE-transport in het vlak werd gemeten met behulp van een Seebeck/resistiviteitsmeetsysteem. Dunne filmmonsters (~2,0 cm × 1,5 cm) werden gemonteerd met een platina viercontactadapter (Figuur 3), en de Seebeck-coëfficiënt (S) werd gemeten ten opzichte van een Pt-standaard onder een toegepaste temperatuurgradiënt van ongeveer 25 K34. Metingen werden stapsgewijs uitgevoerd van 323–523 K onder een He-gasatmosfeer (~1 atm). De temperatuur werd tussen setpoints verhoogd met een gemiddelde snelheid van ~5–6 K·min⁻1, en bij elk setpoint mocht het monster in evenwicht zijn totdat de S- en ρ-metingen gestabiliseerd waren (meestal ~2–3 minuten). Vervolgens werden er drie opeenvolgende metingen per temperatuurpunt geregistreerd met intervallen van 1,5 minuten. De PF-waarde werd berekend uit de gemeten S (V/K) en elektrische weerstand, ρ (Ω·m), met behulp van de volgende vergelijking35:

figure-protocol-6

figure-protocol-7
Figuur 3. Dunnefilmmontageconfiguratie voor thermoelektrische (TE) metingen in het vlak met een platina viercontactadapter. Representatieve foto's die de montageopstelling tonen van Mn-gedopeerde Bi2Te3 dunne films tijdens Seebeck-coëfficiënten- en elektrische resistiviteitsmetingen, inclusief de platinaadapter, thermoelementprobes en elektrische contactpads. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Voor de Mn-machtreeks (0, 5, 10, 15 W) worden representatieve uitkomsten gepresenteerd, waarbij de ongedoopeerde film (0 W) als controlevoorwaarde wordt gebruikt voor structurele en transportvergelijkingen.

Kristalstructuur (XRD)
XRD-patronen bevestigen dat alle monsters de romboëdrische Bi2Te3-fase (JCPDS nr. 15-0863) over de Mn-vermogensreeks behielden, zoals weergegeven in Figuur 4. De ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Deze studie toonde een RF-co-sputtering workflow aan om het TE-gedrag van Bi2Te3 dunne films aan te passen door de Mn RF-ingang te regelen, terwijl een constante Bi2Te3 doelkracht behouden blijft. XRD bevestigde de aanwezigheid van de rhombohedrale Bi2Te3-fase (JCPDS nr. 15-0863) met een voorkeursoriëntatie (015) over alle monsters. De systematische verschuiving van de (015) reflectie naar hogere 2θ-waarden is consistent m...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs verklaren geen concurrerende financiële belangen of andere belangenconflicten.

Dankbetuigingen

De auteurs zijn dankbaar voor de steun van de Universiti Kebangsaan Malaysia, onder subsidie GGPM-2022-069. De auteurs bedanken ook het Solar Energy Research Institute (SERI), Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM), voor technische ondersteuning en toegang tot laboratoriumfaciliteiten gedurende deze studie. De auteurs erkennen het Centre for Research and Instrumentation Management (CRIM) voor het leveren van de XRD- en FESEM–EDX-faciliteiten. Daarnaast erkennen de auteurs oprecht de Universiti Sains Islam Malaysia (USIM) voor de toegang tot het Seebeck/resistiviteitsmeetsysteem dat wordt gebruikt voor Seebeck-coëfficiënten- en elektrische resistiviteitsmetingen. Tot slot spreken de auteurs hun waardering uit aan alle collega's en medewerkers die hebben bijgedragen aan de succesvolle afronding van dit project.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Acetone (≥99,5%)Merck100012Substraatreinigingsoplosmiddel
AluminiumfoliePospaperroll86871915Kamerbekleding en substraathouderbedekking
Argon gas (Ar)Gaslink Industrial Gases Sdn. Bhd.N/A (geleverd door distributeur)Sputteren werkgas; 4 sccm flow; graad 5.0 (99,999%)
Bismuttelluride sputterdoel, 50,8 mm diameter, 4,25 mm dikte, 99,999%Changsha Xinkang Advanced Materials Co., Ltd.xk-Bi2Te3Bi2Te3 doel; vaste RF-vermogen = 100 W
De-ioniserd waterIn-houseN/ASubstraatspoelen en ultrasoon schoonmaken
Energie-dispersieve X-ray spectroscopie detectorGeïntegreerd met FESEM-systeemN/ADünnschicht-samenstellingsanalyse
Veld-emissie scanning elektronenmicroscoopCarl ZeissSUPRA 55VPBeeldvorming van oppervlaktemicrostructuur
Glazen substraten, soda-lime glas, 1,1 mm dikteMevidB105-2002Substraat voor dunne-filmdeposition
Hot plateIKAC-MAG HS 7Substraat drogen bij 393 K
Isopropylalcohol (≥99,8%)Merck109634Substraatreinigingsoplosmiddel
LaboratoriumdetergentMerck107553Initiële substraatreiniging
Koelmiddelcirculatie-eenheidFisher Scientific250LCUKoelcirculatie voor sputtergeweren
Methanol (≥99,9%)Merck106009Substraatreinigingsoplosmiddel
Mangaan sputterdoel, 50,8 mm diameter, 5,08 mm dikte, 99,999%Hunan Boyu Technology Co., Ltd.N/AMn doel; RF-vermogen varieerde van 0 tot 15 W
MultimeterRS PROEN61010-1 CATIIIElektrische isolatieverificatie
Stikstofgas (N2)Gaslink Industrial Gases Sdn. Bhd.N/A (geleverd door distributeur)Substraat drogen na reiniging; graad 4.0 (99,99%)
Petrischaal dekselMerck41121812Kamerbeschouwing-vensterbescherming; ongeveer 94 mm diameter × 16 mm hoogte
RF-magnetron sputteren systeemOp maat gemaaktN/ACo-sputtering van Bi2Te3 en Mn dunne films
Seebeck/resistiviteitsmeetsysteem met platinaadapterLinseisLSR-3 (LSR L31)Seebeck-coëfficiënt en elektrische resistiviteitsmetingen
PincetFisher Scientific10-316BGebruik van gereinigde substraten
Ultrasoon badElmaElmaSonic S30HOplosmiddelreiniging voor methanol, aceton, isopropylalcohol en DI water
UV–ozone reinigerNovascan TechnologiesPSDP-UV4Substraatoppervlaktebehandeling
VacuumopslagcontainerAS ONE CorporationVMStapelopslag na depositie
Stylus profilometerBrukerDektakXTDünnschicht-diktemeting
RöntgendiffractometerBrukerD8 ADVANCEθ–2θ XRD-scans met gebruik van Cu Kα straling
DIFFRAC.EVABrukerDIFFRAC.EVA versie 8Peak fitting, diffractie-analyse en grafiek plotten
OriginOriginLabOriginPro (64-bit)Peak fitting en grafiek plotten

Referenties

  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.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Mangaan doteringvermogensfactorSeebeck co ffici ntelektrische resistiviteitr ntgendiffractieveldemissie microscopieenergiedispersieve spectroscopie
Verbetering van thermo-elektrische eigenschappen van Bi2Te3 dunne films door mangaan co-sputtering
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.