Opracowano protokół współsputteringu o częstotliwości radiowej, aby wytwarzać cienkie warstwy Bi2Te3 domieszkowane manganem oraz oceniać, jak dopływ manganu wpływa na właściwości transportu strukturalnego i termoelektrycznego. Umiarkowane włączenie manganu poprawiło jednolitość filmu i zachowanie transportu związane z czynnikiem mocy, podczas gdy wyższy dopływ manganu zwiększał nieporządek strukturalny i rezystancję.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł badawczy
Poprawa właściwości termoelektrycznych cienkich warstw Bi2Te3 przez współrozpylanie manganu
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Bi2Te3 pozostaje wzorcowym materiałem termoelektrycznym typu n (TE) do konwersji energii w niskich temperaturach, jednak jego niewielka przerwa energetyczna może obniżać wydajność z powodu termicznie generowanych nośników pasożytniczych. Badane były domieszkowanie elementarne w celu poprawy wydajności TE, choć systematyczne badania nad cienkimi warstwami Bi2Te3 domieszkiwanymi manganem (Mn) pozostają ograniczone. W tym badaniu zastosowano proces współsputteringu magnetronu radiowego do wytwarzania cienkich warstw Bi2Te3 domieszkowanych Mn, zmieniając moc celu Mn przy zachowaniu stałych warunków nanosienia Bi2Te3 . Właściwości transportu strukturalnego, mikrostrukturalnego, składowego i TE oceniano za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej, skaningowej mikroskopii elektronowej emisji polowej, spektroskopii rentgenowskiej dyspersyjnej energii oraz pomiarów transportu zależnego od temperatury. Dyfrakcja rentgenowska potwierdziła zachowanie fazy romboedrycznej Bi2Te3 z preferowaną orientacją (015), podczas gdy przesunięcia szczytu w kierunku wyższych wartości 2θ były zgodne z skurczem sieci związanym z Mn. Wszystkie filmy wykazywały ujemne współczynniki Seebecka, potwierdzające przewodzenie typu n. Zwiększenie dopingu Mn zwiększyło wartość współczynnika Seebecka, ale także zwiększyło rezystancję elektryczną, co świadczy o kompromisie transportowym. Warstwa naniesiona z mocą 5 W Mn osiągnęła najwyższy współczynnik mocy 529,33 μW m−1 K−2 przy 523 K dzięki niskiej rezystancji i odpowiedniej mocy termograficznej. Wyniki te pokazują, że umiarkowane włączenie Mn może poprawić wydajność cienkich warstw Bi2Te3 związaną z współczynnikiem mocy w mierzonym zakresie temperatur.
Wprowadzenie
Materiały termoelektryczne (TE) odgrywają kluczową rolę w zrównoważonej konwersji ciepła na energię elektryczną, głównie poprzez efekty Seebecka i Peltiera. Wydajność materiałów TE jest zazwyczaj oceniana za pomocą współczynnika mocy (PF = S2/ρ), gdzie S to współczynnik Seebecka, a ρ to rezystywność elektryczna1,2. Wysoka wartość S w połączeniu z niską wartością ρ świadczy o efektywnym transporcie nośników, co jest niezbędne w zastosowaniach takich jak odzysk ciepła odpadowego, mikrogeneracja energii oraz chłodzenie w stanie stałym w sys....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
W badaniu nie uczestniczyli ludzie, nie wykorzystano zwierząt ani tkanek biologicznych; w związku z tym nie było wymaganej zgody instytucjonalnej komisji etycznej.
Przegląd
Cienkie warstwy Bi2Te3 domieszkowane Mn zostały naniesione na podłoża ze szkła sodowo-wapiennego (SLG) metodą współrozpylania magnetronowego RF. Osadzanie przeprowadzano bez celowego podgrzewania podłoża, a temperatura komory/podłoża podczas rozpylania była utrzymywana na poziomie 298 K ± 1 K. Odległość od tarczy do podłoża została ustalona na 55 mm dla obu źródeł rozpylania. Tarcza Bi2Te3 pracowała przy st....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Przedstawiono reprezentatywne wyniki dla serii mocy Mn (0, 5, 10, 15 W), przyjmując film niedopowany (0 W) jako warunek kontrolny do porównań strukturalnych i transportowych.
Struktura krystaliczna (XRD)
Dyfraktogramy XRD potwierdzają, że wszystkie próbki zachowały romboedryczną fazę Bi2Te3 (JCPDS nr 15-0863) w całej serii mocy Mn, co przedstawiono na Ryc. 4. Dominujące refleksy, w tym silna orientacja preferencyjna (015).......
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Badanie to wykazało workflow współsputteringu RF do dostosowywania zachowania TE cienkich warstw Bi2Te3 poprzez kontrolę wejścia RF Mn przy zachowaniu stałej mocy docelowej Bi2Te3. XRD potwierdził obecność romboedrycznej fazy Bi2Te3 (JCPDS nr 15-0863) z preferowaną orientacją (015) we wszystkich próbkach. Systematyczne przesunięcie odbicia (015) w kierunku wyższych wartości 2θ jest zgodne z kurczeniem sieci związanym z Mn oraz możliwym włączeniem Mn do gra.......
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy deklarują brak konkurencyjnych interesów finansowych ani innych konfliktów interesów.
Podziękowania
Autorzy są wdzięczni za wsparcie udzielone przez Universiti Kebangsaan Malaysia, w ramach grantu GGPM-2022-069. Autorzy dziękują również Instytutowi Badań nad Energią Słoneczną (SERI), Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM), za wsparcie techniczne oraz dostęp do laboratoriów na cały czas trwania tego badania. Autorzy doceniają Centrum Badań i Zarządzania Instrumentacją (CRIM) za zapewnienie obiektów XRD i FESEM–EDX. Ponadto autorzy szczerze doceniają Uniwersytet Sains Islam Malaysia (USIM) za dostęp do systemu pomiaru rezystancji Seebeck/używanego do pomiarów współczynników Seebecka oraz rezystywności elektrycznej. Na koniec autorzy wyrażają podziękowania wszystkim kole....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Aceton (≥ 99.5%) | Merck | 100012 | Rozpuszczalnik do czyszczenia podłoża |
| Folia aluminiowa | Papier na papier | 86871915 | Powłoka komory i osłona podłoża |
| Gaz argon (Ar) | Gaslink Industrial Gases Sdn. Bhd. | N/A (dostarczone przez dystrybutora) | Pryskające gazy robocze; przepływ 4 sccm; Ocena 5,0 (99,999%) |
| Tarcza spicerna z tellurku bizmutu, średnica 50,8 mm, grubość 4,25 mm, 99,999% | Changsha Xinkang Advanced Materials Co., Ltd. | xk-Bi2Te3 | Cel Bi2Te3; stała moc RF = 100 W |
| Woda dejonizowana | Wewnątrz | Nie ma | Płukanie podłoża i czyszczenia ultradźwiękowe |
| Detektor spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii | Zintegrowane z systemem FESEM | Nie ma | Analiza kompozycyjna cienkowarstwowa |
| Skaningowy mikroskop elektronowy z emisją polową | Carl Zeiss | SUPRA 55VP | Obrazowanie mikrostruktury powierzchni |
| Podłoża szklane, szkło sodowo-wapno-grube 1,1 mm | Mevid | B105-2002 | Podłoże do osadzania cienkiej warstwy |
| Płyta grzewcza | IKA | C-MAG HS 7 | Schnięcie podłoża przy 393 K |
| Alkohol izopropylowy (≥ 99.8%) | Merck | 109634 | Rozpuszczalnik do czyszczenia podłoża |
| Detergent laboratoryjny | Merck | 107553 | Początkowe czyszczenie podłoża |
| Jednostka cyrkulacji chłodzenia | Fisher Scientific | 250LCU | Cyrkulacja chłodzenia dla pistoletów sputterowych |
| Metanol (≥ 99.9%) | Merck | 106009 | Rozpuszczalnik do czyszczenia podłoża |
| Tarcza do tryskania manganem, średnica 50,8 mm, grubość 5,08 mm, 99,999% | Hunan Boyu Technology Co., Ltd. | Nie ma | Cel w Minessie; Moc RF wahała się od 0 do 15 W |
| Multimetr | RS PRO | EN61010-1 CATIII | Weryfikacja izolacji elektrycznej |
| Gaz azotowy (N2) | Gaslink Industrial Gases Sdn. Bhd. | N/A (dostarczone przez dystrybutora) | Suszenie podłoża po oczyszczeniu; Ocena 4,0 (99,99%) |
| Pokrywka do misy Petriego | Merck | 41121812 | Ochrona okien widokowych w komorach; około 94 mm średnicy i razy; Wysokość 16 mm |
| System roztrzaskania magnetronu RF | Budowane na zamówienie | Nie ma | Współdzielenie Bi2Te3 oraz Mn cienkich warstw |
| System pomiaru rezystancji Seebeck/z adapterem platynowym | Linseis | LSR-3 (LSR L31) | Pomiary współczynnika Seebecka i rezystancyjności elektrycznej |
| Pęseta | Fisher Scientific | 10-316B | Obsługa czyszczonych podłoży |
| Kąpiel ultradźwiękowa | Elma | ElmaSonic S30H | Czyszczenie rozpuszczalnikami metanolu, acetonu, alkoholu izopropylowego i wody DI |
| UV– Oczyszczacz ozonu | Novascan Technologies | PSDP-UV4 | Obróbka powierzchni podłoża |
| Pojemnik próżniowy | JAKO JEDNA Korporacja | VM | Przechowywanie próbek po depozycji |
| Profilometr igłowy | Bruker | DektakXT | Pomiar grubości cienkiej warstwy |
| Dyfraktometr rentgenowski | Bruker | POSTĘP D8 | θ – 2θ Skanowanie XRD za pomocą Cu Kα Promieniowanie |
| DIFFRAC. EVA | Bruker | DIFFRAC. EVA wersja 8 | Dopasowywanie szczytów, analiza dyfrakcyjna i wykresy |
| Pochodzenie | OriginLab | OriginPro (64-bitowy) | Dopasowywanie pików i wykresy |
Bibliografia
- 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.
- 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.
- 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.
- Li S, et al. High thermoelectric power factor in Ni-Fe alloy for active cooling applications. Ma....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
