Name: Wytwarzanie cienkich warstw termoelektrycznych Bi2Te3 i Sb2Te3 przy użyciu techniki rozpylania magnetronowego o częstotliwości radiowej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-05-17T14:00:00.000+00:00
Duration: 4 min 22 s
Description: Poznaj metodę rozpylania magnetronowego RF do wytwarzania cienkich warstw termoelektrycznych Bi₂Te₃ i Sb₂Te₃ na szklanych podłożach. Technika ta umożliwia produkcję wysokiej jakości materiałów do odzysku energii cieplnej.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy dziękują za wsparcie finansowe z grantu badawczego Universiti Kebangsaan Malaysia: UKM-GGPM-2022-069 na przeprowadzenie tych badań.

1. Przygotowanie podłoża
<ol>
	<li>Przetrzyj podłoża szklane ściereczką bezpyłową, aby usunąć luźne zabrudzenia lub zanieczyszczenia. Umyj podłoża szklane wodą z mydłem, używając pędzla do wyszorowania wszelkich zabrudzeń na szkle.</li>
	<li>Przygotuj wszystkie wymienione poniżej rozpuszczalniki w zlewkach, zanurz w nich podłoża szklane i poddaj sonikacji przy częstotliwości 37 kHz zgodnie z poniższymi parametrami: metanol w 80 °C przez 10 min, aceton w 80 °C przez 10 min, etanol w 80 °C przez 10 min oraz wodę destylowaną (DI) w 80 °C przez 20 min. 
	OSTROŻNIE: Substancje o wysokiej lotności należy obsługiwać w dygestorium.</li>
	<li>Wyjmij podłoża ze zlewki pojedynczo za pomocą pęsety, połóż je na czystej, płaskiej powierzchni, przytrzymaj podłoże pęsetą i przedmuchaj azotem aż do wyschnięcia.</li>
	<li>Umieść podłoża na płycie grzejnej w temperaturze 120 °C na 5-10 min w celu odparowania wszelkich pozostałości. Umieść podłoża w cleanerze UV-ozonowym na 10 min.</li>
</ol>
2. Metoda rozpylania
<ol>
	<li>Przygotowanie komory
	<ol>
		<li>Zdejmij osłonę aluminiową z działa i umieść materiał tarczy w centrum pokrywy. Mocno przykręć pokrywę do uchwytu magnetronu i załóż z powrotem osłonę aluminiową. Przykryj korpus komory, działa i uchwyt próbek folią aluminiową.</li>
		<li>Przeprowadź kontrolę zwarć, dotykając sondami multimetru korpusów komory (zwarcie), następnie korpusu komory i działa (zwarcie), a na koniec korpusu komory i tarczy (obwód otwarty). Test ten jest niezbędny, aby upewnić się, że nie występuje upływ prądu między korpusem (anodą) a tarczą (katodą), co mogłoby utrudnić formowanie plazmy.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wstępne napylanie
	<ol>
		<li>Zamknij drzwi i odpompowuj powietrze z komory przez 15 - 30 min. Na początku procesu pompowania dociśnij drzwi do korpusu, aby upewnić się, że są szczelnie zamknięte. Upewnij się, że odczyt z manometru maleje.</li>
		<li>Włącz system chłodzenia i ustaw go na 15 °C. Włącz przycisk pompy i chłodzenia oraz otwórz zawór połączony z urządzeniem do napylania. 
		UWAGA: Napylanie RF nie działa bez systemu chłodzenia. W takim przypadku nie dojdzie do formowania plazmy.</li>
		<li>Ustaw przepływ argonu na 4 sccm i włącz przełącznik gazu. Odczekaj, aż przepływ osiągnie ustawioną wartość.</li>
		<li>Ustaw obroty na 10 rpm i włącz przełącznik obrotu. Naciśnij przycisk Power, aby włączyć automatyczny kontroler sieci dopasowującej oraz zasilacz wysokiej częstotliwości (RF).</li>
		<li>W automatycznym kontrolerze sieci dopasowującej ustaw parametry load i tune na 50 W każdy, naciskając przycisk Min/Max, a następnie przełącz tryb z Manual na Auto.</li>
		<li>W zasilaczu RF ustaw moc RF na 50 W i naciśnij przycisk Start. Ustaw timer na 15 min.</li>
		<li>Wyłącz moc RF oraz obrót. Ustaw przepływ argonu na 0 i wyłącz przełącznik gazu. Wyłącz pompę próżniową. 
		UWAGA: Przed wyłączeniem pompy próżniowej odczekaj, aż przepływ argonu spadnie do 0,1 sccm.</li>
		<li>Wypuść powietrze, aby otworzyć komorę. Przed procesem odpowietrzania upewnij się, że pompa turbomolekularna (TMP) jest wyłączona. Odpowietrzanie podczas pracy TMP uszkodzi system.</li>
		<li>Otwórz komorę i wprowadź podłoża. Umieść podłoża w zewnętrznym narożniku obrotowego uchwytu próbek, aby zapewnić lepszą depozycję, jak pokazano na Rysunku 1. 
		UWAGA: Podczas pracy wewnątrz komory należy nosić maseczkę i rękawiczki, aby uniknąć wdychania drobnych cząsteczek materiałów.</li>
		<li>Zamknij drzwi, jak pokazano na Rysunku 2, i odpompowuj powietrze przez co najmniej 6 h. Niższe ciśnienie bazowe zapewnia lepszą depozycję. Optymalne ciśnienie bazowe dla systemów wysokiej próżni, takich jak proces napylania, wynosi 1 x 10-5 Torr.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Napylanie
	<ol>
		<li>Włącz system chłodzenia i ustaw go na 15 °C. Włącz przycisk pompy i chłodzenia oraz otwórz zawór połączony z urządzeniem do napylania.</li>
		<li>Ustaw obroty na 10 rpm i włącz przełącznik obrotu. Ustaw przepływ argonu na 4 sccm i włącz przełącznik gazu. Odczekaj, aż przepływ osiągnie ustawioną wartość.</li>
		<li>Naciśnij przycisk Power, aby włączyć automatyczny kontroler sieci dopasowującej oraz zasilacz wysokiej częstotliwości (RF).</li>
		<li>W automatycznym kontrolerze sieci dopasowującej ustaw parametry load i tune na 50 W każdy, naciskając przycisk Min/Max, a następnie przełącz tryb z Manual na Auto.</li>
		<li>W zasilaczu RF ustaw moc RF na 50 W i naciśnij przycisk Start. 
		UWAGA: Przed włączeniem mocy RF odczekaj, aż przepływ argonu osiągnie ustawioną wartość i się ustabilizuje.</li>
		<li>Sprawdź obecność plazmy w komorze. Powstanie plazmy objawia się świeceniem komory na fioletowo. Jeśli plazma nie pojawi się po włączeniu mocy RF, wyłącz argon na 10 s, a następnie włącz go ponownie. Powtarzaj czynność do momentu utworzenia się plazmy w komorze.</li>
		<li>Stopniowo zwiększaj moc RF o 5 W w odstępach co 10 s, aż osiągnie ona wartość 75 W. Ustaw timer na 60 min.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Działania po napylaniu
	<ol>
		<li>Wyłącz moc RF oraz obrót. Wyłącz automatyczny kontroler sieci dopasowującej i zasilacz wysokiej częstotliwości (RF).</li>
		<li>Ustaw przepływ argonu na 0 i wyłącz przełącznik gazu. Wyłącz pompę próżniową. 
		UWAGA: Przed wyłączeniem pompy próżniowej odczekaj, aż przepływ argonu spadnie do 0,1 sccm.</li>
		<li>Wypuść powietrze, aby otworzyć komorę. Przed procesem odpowietrzania upewnij się, że TMP jest wyłączona. Odpowietrzanie podczas pracy TMP uszkodzi system.</li>
		<li>Wyjmij wszystkie próbki za pomocą pęsety i umieść je w czystej szalce Petriego. 
		UWAGA: Podczas pracy wewnątrz komory należy nosić maseczkę i rękawiczki, aby uniknąć wdychania drobnych cząsteczek materiałów.</li>
		<li>Oczyść komorę i odpompowuj powietrze przez 10 - 15 min, aby utrzymać w komorze warunki próżni (brak zanieczyszczeń).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="Układ systemu rozpylania z działkiem RF, pompą próżniową i chłodzeniem; stosowany w procesie osadzania cienkich warstw." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66248/66248fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2: Układ doświadczalny. Fotografia urządzenia do rozpylania wykorzystanego w niniejszym badaniu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66248/66248fig02large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
3. Charakterystyka
<ol>
	<li>Przeprowadź skanowanie topograficzne i przekrojowe przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego z emisją polową (FESEM, przy napięciu roboczym 3,0 kV), aby uzyskać szczegółowy obraz mikrostruktury powierzchni oraz pomiar grubości napylonych warstw.</li>
	<li>Oblicz skład warstw, wykorzystując dane z widm rentgenowskich z detektorem dyspersji energii (EDX), zintegrowanego z FESEM. Zmierz napięcie Halla w stałym polu magnetycznym 0,57 T przy prądach sondy wynoszących odpowiednio 0,8 mA dla Sb2Te3 oraz 10 mA dla Bi2Te3, aby wyznaczyć koncentrację nośników i przewodność warstw35.</li>
	<li>Wykonaj pomiar współczynnika Seebecka w płaszczyźnie warstwy, używając urządzenia analogicznego do tego, którego użyli Isotta i wsp.5. Zamocuj w układzie próbki o geometrii prostokątnej o wymiarach około 2 cm x 1,25 cm. Zmierz bezwzględny współczynnik Seebecka w konfiguracji dwukontaktowej względem wzorca platynowego (Pt), przy gradiencie temperatury ≈25 °C.</li>
</ol>

Deposition of Bi2Te3 and Sb2Te3 Thin Films on Glass Substrates via RF Sputtering

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Technika przedstawiona w niniejszym artykule nie nastręcza istotnych trudności w ustawieniu sprzętu i wdrożeniu. Należy jednak zwrócić uwagę na kilka krytycznych kroków. Jak wspomniano w kroku 2.2.10 protokołu, optymalne warunki próżni mają kluczowe znaczenie dla produkcji wysokiej jakości cienkich warstw przy mniejszym zanieczyszczeniu, ponieważ próżnia usuwa resztki tlenu w komorze37. Obecność tlenu może powodować pęknięcia w foliach zwane pękaniem naprężeniowym, co wskazuje na znaczenie systemu wysokiej próżni w procesie rozpylania38. Zmniejsza to również zderzenia z cząsteczkami gazu resztkowego w ruchu atomów39 od celu do podłoża, tworząc wysoce jednorodne cienkie warstwy. Poza tym krok 2.2.2 w protokole jest ważny, aby zapewnić ciągłe rozpylanie poprzez rozpraszanie ciepła poprzez wymianę ciepła z wodą z układu chłodzenia. Ta metoda wykorzystuje wysokie napięcie i prąd elektryczny, co ostatecznie objawia się ogrzewaniem docelowym. Słabe odprowadzanie ciepła może prowadzić do przegrzania powyżej temperatury Curie, co skutkuje niepowodzeniem całego procesu rozpylania40. Ponadto sugeruje się stopniowe zwiększanie mocy RF podczas rozpylania o 5 W w odstępach 10 s, aż osiągnie żądaną moc przed uruchomieniem timera. Ten krok jest ważny, aby uniknąć pęknięć na tarczy spowodowanych szokiem termicznym, gdy dostarczana jest zbyt duża moc w bardzo krótkim czasie41.
Na rozpylanie ma głównie wpływ jego parametr, w tym moc rozpylania, czas osadzania, ciśnienie robocze, temperatura podłoża i odległość docelowa od podłoża 42,43,44,45. Moc rozpylania wpływa na szybkość stapiania i grubość folii. Wzrost napięcia powoduje większą szybkość stapiania, a w konsekwencji zwiększa się grubość folii44. Badanie przeprowadzone przez Sahu i wsp.46 pokazuje różnice w szybkości osadzania wynikające z procesu współrozpylania Ni i Zr, z różną mocą prądu stałego przyłożoną do celu Zr. Wyniki wskazują, że szybkość stapiania folii Ni-Zr wzrasta wraz ze wzrostem zasilania prądem stałym dla Zr. Ich późniejsze badanie47 dotyczyło wpływu ujemnego napięcia polaryzacji substratu na szybkość osadzania. Wynik pokazuje, że szybkość stapiania stopniowo maleje wraz ze wzrostem napięcia polaryzacji podłoża. Zjawisko to można również zaobserwować w wynikach tego badania, w których Bi2Te3 napylany z mocą 75 W wytwarza grubsze warstwy niż Sb2Te3, który był rozpylany ze znacznie niższą mocą RF w tym samym czasie osadzania. Jednak obie folie zostały pomyślnie zdeponowane, co wskazuje, że moc RF przekracza napięcie progowe każdego celu i może być wykorzystana w innych badaniach w zależności od pożądanej grubości.
Zgodnie z protokołem metoda ta nie wymaga topienia i odparowywania materiału docelowego. Prowadzi to do tego, że prawie wszystkie materiały mogą być osadzane niezależnie od ich temperatury topnienia, co czyni ją lepszą od innych technologii PVD. Rozpylanie RF zastosowane w tym badaniu jest również korzystniejsze niż rozpylanie prądem stałym pod względem stabilności. Badania przeprowadzone przez Yaquba i wsp.48 pokazują, że akumulacja ładunku na powierzchni tarczy powoduje niestabilność plazmy, co utrudniało proces rozpylania prądem stałym. W przeciwieństwie do tego, plazma rozpylająca RF ma tendencję do rozbrajania się w całej komorze, zamiast koncentrować się wokół materiału docelowego, zapewniając lepszą stabilność podczas osadzania. Poza tym rozpylanie RF zapobiega gromadzeniu się ładunku, co zmniejsza wyładowania łukowe na powierzchni docelowej, co w konsekwencji skutkuje lepszymi filmami niż rozpylanie prądem stałym49.
Pomimo wielu atrakcyjnych zalet, rozpylanie RF wymaga znacznie wyższego napięcia w porównaniu z rozpylaniem prądem stałym przy niższych szybkościach stapiania48. Jest również narażony na ryzyko przegrzania z powodu wysokiego napięcia, które wymaga zaawansowanych obwodów i dodatkowego systemu chłodzenia, jak określono w kroku 2.2.2 protokołu. Poza tym, rozpylanie RF podtrzymuje plazmę pod znacznie niższym ciśnieniem przez prąd przemienny, jednak brak wtórnego celu powoduje wolniejsze tempo osadzania. Problem ten można złagodzić, dodając wtórne wyładowanie między celem a podłożem w celu zwiększenia frakcji jonizacyjnej rozpylanych gatunków24. Jednak wszystkie te czynniki przyczyniają się do wyższych kosztów, co prowadzi do tego, że rozpylanie RF jest stosowane tylko na mniejszą skalę i na mniejszych podłożach.
Rozpylanie magnetronowe jest rdzeniem przemysłu półprzewodnikowego, w którym tworzenie wysoce izolacyjnych warstw tlenkowych (warstwa barierowa), warstwy przewodzącej i siatki metalowej ma znaczenie dla produkcji układów scalonych. Dokonano różnych prac rozwojowych przeznaczonych do zastosowań związanych z energią, takich jak konwersja energii50, poszerzając zastosowanie prezentowanej techniki, nie tylko dla materiałów termoelektrycznych, ale także dla czujników cienkowarstwowych i cienkich warstw fotowoltaicznych. Ostatnio Lenis i wsp.51 badali potencjał tej techniki w dziedzinie biomedycyny poprzez osadzanie biokompatybilnej i antybakteryjnej powłoki HA-Ag/TiN-Ti, która jest szeroko stosowana w protezach chirurgicznych. Badanie przeprowadzone przez Wang i wsp.52 pokazuje również zastosowanie tej techniki w osadzaniu cienkich warstw nanostrukturalnego trójtlenku wolframu, co ma ważny potencjał zastosowania w dziedzinie inteligentnych okien. Podsumowując, metoda ta stanowi solidną platformę do osadzania cienkich warstw i szerokiego zakresu zastosowań z potencjałem dalszego rozwoju.

Materiały termoelektryczne (TE) budzą znaczne zainteresowanie badawcze ze względu na ich zdolność do konwersji energii cieplnej na elektryczną poprzez efekt Seebecka1 oraz chłodzenia poprzez efekt Peltiera2. Wydajność konwersji materiału TE jest określona przez różnicę temperatur między gorącym a zimnym końcem elementu termoelektrycznego. Zazwyczaj im większa różnica temperatur, tym wyższa wartość dobroci TE i wyższa wydajność3. Systemy TE działają bez konieczności stosowania dodatkowych części mechanicznych wykorzystujących gazy lub ciecze, nie generują odpadów ani zanieczyszczeń, co czyni je bezpiecznymi dla środowiska i pozwala uznawać je za zielone systemy pozyskiwania energii.
Tellurek bizmutu, Bi2Te3, oraz jego stopy pozostają najważniejszą klasą materiałów termoelektrycznych (TE). Nawet w procesach generowania energii termoelektrycznej, takich jak odzysk ciepła odpadowego, stopy Bi2Te3 są najczęściej stosowane ze względu na ich wysoką sprawność w temperaturach do 200 °C4 i pozostają doskonałym materiałem TE w temperaturze otoczenia, pomimo wartości zT przekraczających 2 w różnych innych materiałach TE5. W licznych publikacjach badano właściwości TE tego materiału, co wykazało, że stechiometryczny Bi2Te3 posiada ujemny współczynnik Seebecka6,7,8, co wskazuje na właściwości typu n. Jednak związek ten można dostosować do typu p lub n poprzez stopowanie odpowiednio z tellurkiem antymonu (Sb2Te3) i selenkiem bizmutu (Bi2Se3), co pozwala zwiększyć przerwę energetyczną i zredukować efekty bipolarne9.
Tellurek antymonu, Sb2Te3, jest innym dobrze znanym materiałem termoelektrycznym (TE) o wysokiej dobroci w niskich temperaturach. Podczas gdy stechiometryczny Bi2Te3 jest doskonałym materiałem TE o właściwościach typu n, Sb2Te3 wykazuje właściwości typu p. W niektórych przypadkach właściwości materiałów TE często zależą od składu atomowego materiału, jak na przykład w przypadku Bi2Te3 bogatego w Te o typie n, lub Bi2Te3 bogatego w Bi o typie p, co wynika z obecności defektów akceptorowych typu antystrukturalnego BiTe4. Jednakże Sb2Te3 zawsze wykazuje typ p ze względu na stosunkowo niską energię tworzenia defektów antystrukturalnych SbTe, nawet w przypadku Sb2Te3 bogatego w Te4. Zatem oba te materiały stają się odpowiednimi kandydatami do wytwarzania modułów p-n generatorów termoelektrycznych w różnych zastosowaniach.
Obecne konwencjonalne generatory termoelektryczne (TEG) są wykonane z pociętych sztabek półprzewodników typu n i p, połączonych pionowo szeregowo10. Ze względu na niską sprawność oraz nieporęczną, sztywną budowę były one stosowane jedynie w niszowych obszarach. Z czasem badacze zaczęli badać struktury cienkowarstwowe w celu uzyskania lepszych parametrów i szerszego zastosowania. Doniesiono, że cienkowarstwowe elementy termoelektryczne (TE) posiadają przewagę nad ich masywnymi odpowiednikami, taką jak wyższa wartość zT wynikająca z ich niskiej przewodności cieplnej11,12, mniejsze zużycie materiału oraz łatwiejsza integracja z układami scalonymi12. W rezultacie wzrosło zainteresowanie niszowymi badaniami nad cienkowarstwowymi urządzeniami termoelektrycznymi, wykorzystującymi zalety struktur nanomateriałowych13,14.
Mikrofabrykacja cienkich warstw jest istotna dla uzyskania wysokowydajnych materiałów termoelektrycznych (TE). W tym celu zbadano i opracowano różne podejścia do osadzania, w tym chemiczne osadzanie z fazy gazowej15, osadzanie warstw atomowych16,17, impulsowe osadzanie laserowe18,19,20, sitodruk8,21 oraz epitaksję wiązki molekularnej22. Jednak większość tych technik wiąże się z wysokimi kosztami eksploatacji, złożonym procesem wzrostu lub skomplikowanym przygotowaniem materiałów. Z kolei rozpylanie magnetronowe jest kosztowo efektywną metodą wytwarzania wysokiej jakości cienkich warstw, które są gęstsze, charakteryzują się mniejszą wielkością ziarna, lepszą adhezją oraz wysoką jednorodnością23,24,25.
Napylanie magnetronowe jest jednym z procesów fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD) opartych na plazmie, który znajduje szerokie zastosowanie w różnych aplikacjach przemysłowych. Proces napylania przebiega w sposób następujący: po przyłożeniu odpowiedniego napięcia do tarczy (katody), jony z plazmy wyładowania żarowego bombardują tarczę, co powoduje uwalnianie nie tylko elektronów wtórnych, ale także atomów materiału katody, które ostatecznie uderzają w powierzchnię podłoża i kondensują się, tworząc cienką warstwę. Proces napylania został po raz pierwszy skomercjalizowany w latach 30. XX wieku i udoskonalony w latach 60., zyskując znaczne zainteresowanie dzięki możliwości osadzania szerokiej gamy materiałów przy użyciu napylania prądem stałym (DC) oraz wysoką częstotliwością (RF)26,27. Napylanie magnetronowe eliminuje problem niskiej szybkości osadzania oraz wysokiego nagrzewania podłoża dzięki wykorzystaniu pola magnetycznego. Silny magnes ogranicza elektrony w plazmie do obszaru na powierzchni lub w pobliżu powierzchni tarczy, co zapobiega uszkodzeniu utworzonej cienkiej warstwy. Taka konfiguracja pozwala zachować stechiometrię oraz jednorodność grubości osadzonej cienkiej warstwy28.
Szeroko badano również przygotowywanie termoelektrycznych cienkich warstw Bi2Te3 i Sb2Te3 metodą rozpylania magnetronowego, wprowadzając do procedur techniki takie jak domieszkowanie4,29,30 oraz wyżarzanie31, co prowadzi do uzyskania różnych parametrów wydajności i jakości. W badaniu przeprowadzonym przez Zheng i współpracowników32 zastosowano metodę dyfuzji indukowanej termicznie w celu dyfuzji warstw Bi domieszkowanego Ag oraz Te, które zostały rozpylone osobno. Metoda ta umożliwia precyzyjną kontrolę składu cienkich warstw, a dyfuzja Te poprzez indukcję termiczną chroni Te przed odparowaniem. Właściwości cienkich warstw mogą być również poprawione poprzez proces wstępnego powlekania33 przed rozpylaniem, co skutkuje lepszą przewodnością elektryczną dzięki wysokiej ruchliwości nośników, zwiększając w konsekwencji czynnik mocy. Ponadto, w badaniu Chen i współpracowników34 poprawiono właściwości termoelektryczne rozpylonego Bi2Te3 poprzez domieszkowanie Se za pomocą metody reakcji dyfuzyjnej po selenizacji. Podczas tego procesu Se odparowuje i dyfunduje do cienkich warstw Bi-Te, tworząc warstwy Bi-Te-Se, co skutkuje 8-krotnie wyższym czynnikiem mocy w porównaniu do niedomieszkowanego Bi2Te3.
Niniejsza praca opisuje naszą konfigurację eksperymentalną oraz procedurę zastosowania techniki rozpylania magnetronowego RF w celu osadzenia cienkich warstw Bi2Te3 i Sb2Te3 na podłożach szklanych. Rozpylanie przeprowadzano w konfiguracji od góry do dołu (top-down), zgodnie ze schematem przedstawionym na Rysunku 1; katodę zamontowano pod kątem do normalnej podłoża, co doprowadziło do uzyskania bardziej skoncentrowanej i zbieżnej plazmy skierowanej na podłoże. Warstwy poddano systematycznej charakterystyce z wykorzystaniem FESEM, EDX oraz pomiarów efektu Halla i współczynnika Seebecka w celu zbadania ich morfologii powierzchni, grubości, składu oraz właściwości termoelektrycznych.
<img alt="Schemat procesu rozpylania z komorą próżniową, podłożem szklanym i obrotowym uchwytem próbek." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66248/66248fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Schemat konfiguracji rozpylania z góry. Diagram został zaprojektowany zgodnie z rzeczywistą konfiguracją rozpylania dostępną w tym badaniu, ale bez zachowania skali; przedstawia on układ podłoży szklanych przeznaczonych do napylania widziany z góry. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66248/66248fig01large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>

<table><tbody><tr><td>Aceton</td><td>Chemiz (M) Sdn. Bhd.</td><td>1910151</td><td>Ciecz, łatwopalny</td></tr><tr><td>tellurek antymonu, Sb2Te3</td><td>China Rare Metal Material Co., Ltd</td><td>C120222-0304</td><td>Średnica 50,8 mm, grubość 6,35 mm, czystość 99,999%</td></tr><tr><td>Tellurek bizmutu, Bi2Te3</td><td>China Rare Metal Material Co., Ltd</td><td>CB151208-0501</td><td>Średnica 50,8 mm, Grubość 4,25 mm, czystość 99,999%</td></tr><tr><td>Etanol</td><td>Chemiz (M) Sdn. Bhd.</td><td>2007081</td> Skaningowy mikroskop elektronowy z emisją <td>ciekłym, łatwopalnym</td></tr><tr><td>polem</td><td>Zeiss</td><td>MERLIN</td><td>Wyposażony w</td></tr><tr><td>system pomiaru efektu Halla</td> EDX <td>Aseptec Sdn. Bhd.</td><td>HMS ECOPIA 3000-Ręczny</td><td></td></tr> <tr><td>multimetr cyfrowy</td><td>Prokit Industries Sdn. Bhd.</td><td>303-150NCS-HMS-3000</td><td></td></tr> <tr><td></td><td>Aseptec Sdn Bhd.</td><td>HMS ECOPIA 3000</td><td>Oprogramowanie do pomiaru efektu Halla</td></tr><tr><td>Linseis_TA</td><td>Linseis Messger&auml; te GmbH</td><td>LSR-3</td><td>Oprogramowanie do analizy termicznej Linseis</td></tr><tr><td>Metanol</td><td>Chemiz (M) Sdn. Bhd.</td><td>2104071</td><td>Ciecz, łatwopalne</td></tr><tr><td>rozpylanie magnetronowe RF-DC</td><td>Firma Kurt J. Lesker-Dostosowany</td><td></td> <td>system hybrydowy</td></tr><tr><td>System pomiaru współczynnika Seebeck</td><td>Linseis Messger&auml; te GmbH</td><td>LSR-3-SmartTiff</td><td></td></tr> <tr><td></td><td>Carl Zeiss Microscopy</td> <td>Ltd-SEM</td> <td>oprogramowanie do pomiaru grubości obrazu</td></tr><tr><td>Kąpiel ultradźwiękowa</td><td>Fisherbrand</td> <td>FB15055-UV</td><td></td></tr> <tr><td>środek do czyszczenia ozonu</td><td>Ossila Ltd</td><td>L2002A3-UK-</td><td></td></tr></tbody></table>

wytwarzanie cienkich warstw termoelektrycznych bi2te3 i sb2te3 przy użyciu techniki rozpylania magnetronowego o częstotliwości radiowej

Fabrication of Bi2Te3 and Sb2Te3 Thermoelectric Thin Films using Radio Frequency Magnetron Sputtering Technique

Dzięki różnym badaniom nad materiałami termoelektrycznymi (TE), konfiguracja cienkowarstwowa daje przewagę nad konwencjonalnymi masowymi TE, w tym możliwość dostosowania do zakrzywionych i elastycznych podłoży. Zbadano kilka różnych metod osadzania cienkowarstwowego, jednak rozpylanie magnetronowe jest nadal korzystne ze względu na wysoką wydajność osadzania i skalowalność. Dlatego badanie to ma na celu wytworzenie cienkiej warstwy tellurku bizmutu (Bi2Te3) i tellurku antymonu (Sb2Te3) metodą rozpylania magnetronowego o częstotliwości radiowej (RF). Cienkie warstwy osadzano na podłożach ze szkła sodowo-wapniowego w temperaturze otoczenia. Podłoża zostały najpierw umyte wodą i mydłem, oczyszczone ultradźwiękowo metanolem, acetonem, etanolem i wodą dejonizowaną przez 10 minut, wysuszone gazowym azotem i gorącą płytą, a na koniec poddane obróbce ozonem UV przez 10 minut w celu usunięcia pozostałości przed procesem powlekania. Użyto tarczy rozpylającej Bi2Te3 i Sb2Te3 z gazem argonowym, a następnie wykonano rozpylanie wstępne w celu oczyszczenia powierzchni celu. Następnie do komory napylania załadowano kilka czystych substratów, a komorę odkurzono do momentu, aż ciśnienie osiągnie 2 x 10-5 Torr. Cienkie warstwy osadzano na 60 minut przy przepływie argonu 4 sccm i mocy RF 75 W i 30 W odpowiednio dla Bi2Te3 i Sb2Te3. W wyniku tej metody uzyskano wysoce jednorodne cienkie warstwy typu n Bi2Te3 i Sb2Te3 typu p.

Mikrografie przekroju poprzecznego świeżo osadzonych cienkich warstw Bi2Te3 oraz Sb2Te3 zostały zarejestrowane przy użyciu FESEM, jak przedstawiono odpowiednio na Rysunku 3A i Rysunku 3B. Powierzchnia całej warstwy wydaje się jednolita i gładka. Widoczne jest, że ziarna krystaliczne cienkiej warstwy Bi2Te3 miały kształt sześciokątny, co jest zgodne ze strukturą krystaliczną Bi2Te3, natomiast ziarna krystaliczne cienkiej warstwy Sb2Te3 składały się z drobnych ziaren okrągłych, podobnie jak zgłoszono w pracy Amirghasemi i wsp.36. Obrazy przekroju poprzecznego obu próbek ujawniają gęsto upakowane cząstki rosnące na podłożu. Warstwy miały jednolitą grubość wynoszącą odpowiednio około 1,429 ± 0,01 µm dla Bi2Te3 i 0,424 ± 0,01 µm dla Sb2Te3. Skład warstw obliczono na podstawie widm EDX zawartych w Pliku uzupełniającym 1 i Pliku uzupełniającym 2, a wartości zestawiono w Tabeli 1. Wartości szacunkowe wskazują, że obie cienkie warstwy posiadają stosunki stechiometryczne.
Stężenie nośników i przewodnictwo nowo osadzonych cienkich warstw określono w temperaturze otoczenia, natomiast bezwzględny współczynnik Seebecka zmierzono w temperaturze około 50 °C. Wyniki te przedstawiono w Tabeli 2. Cienka warstwa Bi2Te3 wykazuje ujemny bezwzględny współczynnik Seebecka oraz wartości stężenia nośników potwierdzające, że warstwa była typu n, natomiast warstwa Sb2Te3 wykazuje dodatnie wartości zarówno dla bezwzględnego współczynnika Seebecka, jak i stężenia nośników, co potwierdza jej przewodnictwo typu p.
<img alt="Obrazy z transmisyjnego mikroskopu elektronowego nanostruktur porowatych; analiza w nanoskali; widok przekroju poprzecznego." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66248/66248fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3: Obrazy przekroju poprzecznego FESEM. (A) Obraz przekroju poprzecznego Bi2Te3 z zaznaczoną grubością filmu.)B) Obraz przekroju poprzecznego Sb2Te3 z zaznaczoną grubością filmu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66248/66248fig03large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Cel</td>
			<td>moc RF, (W)</td>
			<td>Bezwzględny współczynnik Seebecka, S (µV/K)</td>
			<td>Stężenie nośników, Nb (cm⁻³)-3)</td>
			<td>Przewodność, σ (Ω/cm)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bi2Te3</td>
			<td>75</td>
			<td>-72.84</td>
			<td>-5,71 x 1020</td>
			<td>108.96</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sb2Te3</td>
			<td>30</td>
			<td>238.83</td>
			<td>1,44 x 1021</td>
			<td>6.05</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 1: Analiza składu EDX.Tabela przedstawia procent masowy uzyskany ze spektra EDX, obliczony procent atomowy każdego pierwiastka, stosunek składników, grubość oraz szybkość osadzania dla próbek Bi2Te3 i Sb2Te3.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Próbka</td>
			<td colspan="2">Procent masowy (%)</td>
			<td colspan="2">Procent atomowy (± 0,5%)</td>
			<td>stosunek atomowy</td>
			<td>Grubość (± 0.01 µm)</td>
			<td>Szybkość osadzania (nm/min)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bi2Te3</td>
			<td>(Bi) 51,0</td>
			<td>(Te) 42,8</td>
			<td>(Bi) 41,9</td>
			<td>(Te) 58,1</td>
			<td>[Bi]:[Te] 2:3</td>
			<td>1.429</td>
			<td>23.8</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sb2Te3</td>
			<td>(Sb) 39,6</td>
			<td>(Te) 59,7</td>
			<td>(Sb) 40,0</td>
			<td>(Te) 60,0</td>
			<td>[Sb]:[Te] 2:3</td>
			<td>0.424</td>
			<td>7.0</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 2: Właściwości termoelektryczne mikrofabrykowanych cienkich warstw. Tabela zawiera materiały docelowe, zastosowane moce RF, bezwzględne współczynniki Seebecka, współczynniki Halla oraz wartości przewodnictwa dla obu Bi2Te3 oraz Sb2Te3 próbki
Plik uzupełniający 1: Planarny obraz FESEM oraz widmo EDX Bi2Te3 z podaniem procentowej zawartości masowej każdego pierwiastka. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66248/supplementary%20file%201_RE.zip" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Plik uzupełniający 2: Planar FESEM i widmo EDX Sb2Te3 z procentową zawagą masową każdego pierwiastka. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66248/supplementary%20file%202_RE.zip" target="_blank">Aby pobrać ten plik, kliknij tutaj.</a>

Rękopis opisuje protokół rozpylania magnetronowego za pomocą częstotliwości radiowej cienkich warstw termoelektrycznych Bi2Te3 i Sb2Te3 na podłożach szklanych, który reprezentuje niezawodną metodę osadzania, która zapewnia szeroki zakres zastosowań z potencjałem do dalszego rozwoju.

Wytwarzanie cienkich warstw termoelektrycznych Bi2Te3 i Sb2Te3 przy użyciu techniki rozpylania magnetronowego o częstotliwości radiowej

Through various studies on thermoelectric (TE) materials, thin film configuration gives superior advantages over conventional bulk TEs, including ...

Nasze badania koncentrują się na wytwarzaniu wysokiej jakości cienkich folii, wodnych generatorów elektrycznych, w celu odzyskiwania ciepła odpadowego i ciepła z brudu w energię elektryczną. Zbadano i opracowano różne techniki osadzania cienkich warstw, w tym transport magnetyczny o częstotliwości radiowej, który jest w stanie wytworzyć cienkie warstwy o dużej gęstości, solidnej przyczepności i wysokiej jednorodności. Metoda ta nie wymaga topienia i odparowywania materiałów docelowych, dzięki czemu większość materiałów może być osadzana niezależnie od temperatury topnienia, co czyni ją lepszą niż inne technologie fizycznego osadzania z fazy gazowej.Aby rozpocząć, zdejmij aluminiową osłonę z pistoletu i umieść materiał docelowy na środku osłony. Mocno dokręć pokrywę na uchwycie magnetrona i ponownie zamocuj aluminiową osłonę. Owiń korpus komory, pistolety i uchwyt próbki folią aluminiową.Za pomocą multimetru sprawdź, czy między korpusami komory, korpusem komory a pistoletem oraz korpusem komory a celem nie ma obwodu sortowania. Następnie zamknij drzwi i rozpocznij proces odkurzania w komorze na 15 do 30 minut. Na początku odkurzania mocno dociśnij drzwi w korpusie, aby zapewnić szczelne uszczelnienie.Monitoruj manometr, aby potwierdzić spadek ciśnienia. Teraz aktywuj system chłodzenia i ustaw go na 15 stopni Celsjusza. Włącz przyciski pompy i chłodzenia, a następnie otwórz zawór podłączony do przyrządu do napylania.Teraz dostosuj przepływ argonu do czterech standardowych centymetrów sześciennych na minutę i aktywuj przełącznik gazowy. Ustaw prędkość obrotową na 10 obr./min i włącz przełącznik obrotów. Naciśnij przycisk zasilania, aby aktywować automatycznie dopasowywany kontroler sieciowy i zasilacz o częstotliwości radiowej.Na kontrolerze sieci automatycznego dopasowywania użyj przycisku min/max, dostosuj obciążenie i dostrój do 50% każdy. Następnie przełącz tryb z ręcznego na automatyczny. W zasilaczu o częstotliwości radiowej ustaw moc częstotliwości radiowej na 50 watów i naciśnij przycisk start.Ustaw minutnik na 15 minut. Następnie wyłącz moc i obrót RF. Ustaw przepływ argonne na zero i wyłącz przełącznik.Następnie wyłącz próżnię. Upewnij się, że pompa turbomolekularna została wyłączona przed odpowietrzeniem komory, aby zapobiec uszkodzeniu. Następnie otwórz komorę i załaduj przygotowane podłoża w zewnętrzny róg obracającego się uchwytu na próbkę w celu optymalnego osadzania.Zamknij drzwiczki komory i odkurzaj przez co najmniej sześć godzin. Aktywuj układ chłodnicy, jak pokazano wcześniej, i otwórz zawór połączony z przyrządem do rozpylania. Ustaw prędkość obrotową, przepływ argonu, automatyczne dopasowywanie kontrolera sieci i częstotliwość radiową, jak pokazano wcześniej.Naciśnij przycisk start. Następnie sprawdź komorę pod kątem obecności plazmy. Stopniowo zwiększaj moc RF o pięć watów co 10 sekund, aż osiągnie 75 watów.Ustaw minutnik na 60 minut. Następnie wyłącz zasilanie częstotliwością radiową i system rotacji. Wyłącz także kontroler sieci automatycznego dopasowywania i zasilacz o częstotliwości radiowej.Ustaw przepływ argonu do zera i wyłącz przełącznik gazu. Następnie wyłącz odkurzacz i przewietrz komorę, aby ją otworzyć. Za pomocą pęsety wyjmij wszystkie próbki z komory i umieść je na czystej szalce Petriego.Wyczyść komorę i odkurzaj ją przez 10 do 15 minut, aby utrzymać stan próżni wolny od zanieczyszczeń.

fabrication-bi2te3-sb2te3-thermoelectric-thin-films-using-radio

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Nadprzewodzące rezonatory mikrofalowe są interesujące dla wykrywania światła, zastosowań obliczeń kwantowych i charakteryzacji materiałów. W pracy przedstawiono szczegółową procedurę wytwarzania i charakterystyki parametrów rozpraszania nadprzewodzącego rezonatora mikrofalowego.

Wytwarzanie i charakterystyka rezonatorów nadprzewodzących

Poprzez siarkowanie wstępnie osadzonych metali przejściowych, można wytwarzać heterostruktury krystaliczne o dużej powierzchni i pionowe 2D. W niniejszym raporcie przedstawiono również procedury przenoszenia folii i produkcji urządzeń.

Otrzymywanie wielkopowierzchniowych pionowych heterostruktur krystalicznych 2D poprzez siarkowanie warstw metali przejściowych do wytwarzania urządzeń

W tym artykule prezentujemy protokół bezpośredniego wyhodowania epitaksjalnego, ale elastycznego elementu pamięci tytanianu cyrkonu ołowiowego na mice muskowitowej.

Metoda wytwarzania i pomiaru elastycznego elementu ferroelektrycznego opartego na heteroepitaksji van der Waalsa

Tutaj prezentujemy protokół hodowli nanocząstek LSMO i folii (Gd) BCO na podłożach monokrystalicznych (001) SrTiO3 (STO) metodą rozpylania radiowego (RF).

Rozpylanie magnetronowe o częstotliwości radiowej GdBa2Cu3O7−δ/ La0,67Sr0,33MnO3 Quasi-dwuwarstwowe folie na podłożach monokrystalicznych SrTiO3 (STO)

Opisano wytwarzanie piezoelektrycznych przetworników grubości poprzez rozpylanie elektrod płytkowych prądem stałym na niobianie litu. Dodatkowo, niezawodna praca jest osiągana dzięki uchwytowi przetwornika i systemowi zasilania płynem, a charakteryzacja jest demonstrowana za pomocą analizy impedancji, laserowej wibrometrii dopplerowskiej, szybkiego obrazowania i rozkładu wielkości kropel za pomocą rozpraszania laserowego.

Wytwarzanie i charakterystyka urządzeń piezoelektrycznych w trybie grubości do atomizacji i akustofluidyki

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.

Poprawa właściwości termoelektrycznych cienkich warstw Bi2Te3 przez współrozpylanie manganu

Opisujemy technikę nanoformowania, która pozwala na tanie wzorowanie na nanoskali funkcjonalnych materiałów, stosów materiałów i całych urządzeń. Nanoformowanie może być wykonywane na dowolnym zestawie nanoimprintingu i może być stosowane do szerokiej gamy materiałów i procesów osadzania.

Nanoformowanie materiałów funkcjonalnych, wszechstronna metoda komplementarnej replikacji wzoru do nanoimprintingu

Ten raport opisuje użycie specjalnie zbudowanego systemu do nanoszenia aerozolowego grubych warstw granatu itrowo-żelazowego na szafirowe podłoża w RT. Osadzone błony są charakteryzowane za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej, profilometrii i rezonansu ferromagnetycznego, aby dać reprezentatywny przegląd możliwości tej techniki.

Tworzenie grubych, gęstych warstw granatu itrowo-żelazowego za pomocą osadzania aerozolowego

Technika gradientów dyfuzyjnych w cienkich warstwach (DGT) jest proponowana do badań specjacyjnych plutonu. Protokół ten opisuje eksperymenty dyfuzyjne badające zachowanie Pu(IV) i Pu(V) w obecności materii organicznej. DGT rozmieszczone w źródle krasowym pozwalają na ocenę biodostępności Pu.

Pomiary specjacji i biodostępności plutonu środowiskowego z wykorzystaniem dyfuzji w cienkich warstwach

Opisujemy podejścia do wytwarzania urządzeń i charakterystyki elektrycznej nanostruktur półprzewodnikowych z warstwy diselenku molibdenu (MoSe2) o różnych grubościach. Ponadto opisano wytwarzanie styków omowych dla2-warstwowych nanokryształów MoSe metodą osadzania wiązki jonów z użyciem platyny (Pt) jako metalu kontaktowego.

Wytwarzanie kontaktów omowych przy użyciu techniki skupionej wiązki jonów i charakterystyki elektrycznej warstwowych nanostruktur półprzewodnikowych

Poznaj metodę rozpylania magnetronowego RF do wytwarzania cienkich warstw termoelektrycznych Bi₂Te₃ i Sb₂Te₃ na szklanych podłożach. Technika ta umożliwia produkcję wysokiej jakości materiałów do odzysku energii cieplnej.

Wytwarzanie cienkich warstw termoelektrycznych Bi2Te3 i Sb2Te3 przy użyciu techniki rozpylania magnetronowego o częstotliwości radiowej (Wideo) | JoVE Journal

Wytwarzanie cienkich warstw termoelektrycznych Bi₂Te₃ i Sb₂Te₃ przy użyciu techniki rozpylania magnetronowego o częstotliwości radiowej

Przeglądaj więcej filmów