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Artigo de investigação

Melhorando as Propriedades Termoelétricas de Filmes Finos Bi2Te3 por Co-Sputtering de Manganês

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DOI:

10.3791/71082

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5 de junho de 2026

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1Solar Energy Research Institute (SERI), Universiti Kebangsaan Malaysia, 2Faculty of Science and Technology, Universiti Sains Islam Malaysia, 3Department of Manufacturing and Materials Engineering, Kulliyyah of Engineering, International Islamic University Malaysia

Neste artigo

Resumo

Foi desenvolvido um protocolo de co-sputtering por radiofrequência para fabricar filmesfinos Bi2Te 3 dopados com manganês e avaliar como a entrada de manganês influencia as propriedades estruturais e de transporte termoelétrico. A incorporação moderada de manganês melhorou a uniformidade do filme e o comportamento de transporte relacionado ao fator de potência, enquanto maior entrada de manganês aumentou a desordem estrutural e a resistividade.

Resumo

O Bi2Te3 permanece um material termoelétrico do tipo n (TE) de referência para conversão de energia em baixas temperaturas, mas seu pequeno gap de banda pode reduzir a eficiência devido a portadores parasitas gerados termicamente. O doping elementar tem sido explorado para melhorar o desempenho do TE, embora estudos sistemáticos em filmesfinos Bi2Te 3 dopados com manganês (Mn) continuem limitados. Neste estudo, um fluxo de trabalho de co-sputtering de magnetrons por radiofrequência foi utilizado para fabricar filmesfinos de Bi2Te 3 dopados com Mn, variando a potência do alvo de Mn enquanto mantinham condições constantes de deposição Bi2Te3. Propriedades estruturais, microestruturais, composicionais e de transporte TE foram avaliadas usando difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo, espectroscopia de raios X dispersiva de energia e medições de transporte dependentes da temperatura. A difração de raios X confirmou a retenção da fase romboédrica Bi2Te3 com orientação preferencial (015), enquanto os deslocamentos de pico em direção a valores mais altos de 2θ foram consistentes com a contração da rede relacionada ao Mn. Todos os filmes apresentaram coeficientes de Seebeck negativos, confirmando condução do tipo n. O aumento da dopagem com Mn aumentou a magnitude do coeficiente de Seebeck, mas também aumentou a resistividade elétrica, demonstrando um compromisso no transporte. O filme depositado com potência de 5 W Mn atingiu o maior fator de potência de 529,33 μW m−1 K−2 em 523 K devido à sua baixa resistividade combinada com termopotência adequada. Esses resultados demonstram que a incorporação moderada de Mn pode melhorar o desempenho relacionado ao fator de potência de filmes finos Bi2Te3 dentro da faixa de temperatura medida.

Introdução

Materiais termoelétricos (TE) desempenham um papel crucial na conversão sustentável de calor em energia elétrica, principalmente por meio dos efeitos Seebeck e Peltier. O desempenho dos materiais TE é tipicamente avaliado usando o fator de potência (PF = S2/ρ), onde S é o coeficiente de Seebeck e ρ é a resistividade elétrica 1,2. Um S alto junto com ρ baixo indica transporte eficiente de portadores, essencial para aplicações como recuperação de calor residual, geração de microenergia e resfriamento em estado sólido em sistemas industriais e microeletrônica 3,4,5.

Entre vários materiais de TE, o telureto de bismuto (Bi2Te 3) é notável por sua eficiência em aplicações próximas à temperatura ambiente. No entanto, sua implantação prática é limitada pela fragilidade, flexibilidade mecânica restrita e uma figura moderada de mérito (zT), que contribuem para desafios na implementação em largaescala 2. Avanços recentes em tecnologias de fabricação de filmes finos, especialmente o sputtering de magnetron, oferecem abordagens promissoras para enfrentar essas limitações. Filmes finos permitem melhor controle sobre composição e microestrutura, o que pode aumentar a mobilidade dos portadores e a flexibilidade mecânica, ambos importantes para dispositivos TEde alta eficiência 6. A capacidade de personalizar essas propriedades usando sputtering de magnetrons por radiofrequência (RF) já foi demonstrada anteriormente, apoiando seu uso para produzir filmes finos uniformes Bi2Te3 com espessuras ajustáveis e níveis de doping7.

O doping catiônico, especialmente com manganês (Mn), surgiu como uma estratégia promissora para melhorar as propriedades de TE do Bi2Te3. Embora pesquisas sobre Bi2Te3 dopadas com Mn ainda sejam menos extensas do que estudos envolvendo outros dopantes, evidências de sistemas relacionados sugerem que a incorporação de Mn pode melhorar tanto as propriedades elétricas quantoestruturais 8. A incorporação de Mn tem sido relatada como influenciando a concentração e mobilidade dos portadores, afetando o coeficiente de Seebeck e a condutividade elétrica, que juntos determinam a PF do materialTE 9. Além disso, a incorporação de Mn tem sido discutida em termos de mecanismos de incorporação substitutionais ou associados a defeitos que podem introduzir deformação na rede e defeitos pontuais. Essas modificações podem aumentar o espalhamento de fônons e potencialmente reduzir a condutividade térmica da rede, ambos importantes contribuintes para o desempenhoTE 10. Pesquisas sobre compostos dopados com Mn relacionados, como Bi2Si, 2Te6, sugerem que o Mn também pode melhorar o transporte de carga e introduzir momentos magnéticos localizados, o que pode fortalecer os efeitos de espalhamento de fonons e reduzir a conduçãobipolar 11. Consequentemente, a influência do Mn na evolução microestrutural, formação de defeitos e crescimento dos grãos é importante para melhorar a estabilidade mecânica e térmica dos materiaisTE 10,12.

No entanto, a incorporação excessiva de Mn pode promover fases secundárias como MnTe e complicar o comportamentode transporte 13; portanto, a entrada de Mn deve ser cuidadosamentecontrolada 14. Além disso, Mn pode introduzir estados aceitadores dentro da rede Bi2Te3 e potencialmente alterar o comportamento de condução por meio da supressão do transporte topológico da superfície, abertura de uma lacuna, redução da densidade de portadores livres e um cruzamento de condução metálica para isolante ou localizada sob dopingsuficiente 15,16. Essas considerações destacam a importância de controlar a incorporação de Mn durante o sputtering para estabelecer relações estrutura–propriedadeconfiáveis 17.

Estudos recentes demonstraram que o Mn pode ser incorporado em filmes finos baseados em Bi2Te3 e pode influenciar de forma mensurável a estrutura e o transporte eletrônico. Filmes finos Bi2−xMnxTe 3 exibem mudanças dependentes do Mn nas propriedades estruturais eelétricas 18, enquanto filmes finos Mn:Bi2 Te3 também foram investigados por meio de medições de transporte, indicando que a incorporação de Mn pode ocorrer sem suprimir totalmente a fase19 do hospedeiro Bi2Te3. Mais recentemente, o sputtering magnetron possibilitou a preparação de filmesfinos Bi2Te 3 dopados com Mn nanocristalino, apoiando a viabilidade da incorporação de Mn usando abordagens de deposição escalável de filmesfinos 20. No entanto, comparado com filmesfinos representativos dotipo n do tipo n otimizados por engenharia de textura, modulação de defeitos de vacance e engenharia de portadoras, a otimização sistemática de filmes finos Bi2Te 3 dopados com Mn continua relativamentepouco explorada 7,21. Essa lacuna motivou o estudo controlado de entrada Mn apresentado aqui.

Neste estudo, filmes finos Bi2Te3 dopados com Mn foram preparados por co-sputtering de magnetrons RF usando uma série controlada de entrada Mn e avaliados por difração de raios X (XRD), microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (FESEM), espectroscopia de raios X dispersiva de energia (EDX) e medições de coeficiente de Seebeck e resistividade elétrica dependentes da temperatura. A Figura 1 ilustra esquematicamente a configuração de co-sputtering usada neste trabalho. O objetivo era usar uma estrutura consistente de sputtering para examinar como a entrada de Mn influencia a microestrutura do filme e o comportamento de transporte relacionado à PF sob condições de processamentocomparáveis 22.

figure-introduction-1
Figura 1. Esquema da configuração de co-sputtering de magnetrons RF usada para deposição de filme fino Bi2Te 3 dopada com Mn. Representação esquemática do arranjo de co-sputtering mostrando o alvo Bi2Te3, alvo Mn, suporte do substrato e posicionamento do substrato dentro da câmara de deposição. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

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Protocolo

Nenhum participante humano, animal ou tecido biológico foi utilizado neste estudo; portanto, não era necessária aprovação ética institucional.

Visão geral
Filmes finos Bi2Te3 dopados com Mn foram depositados em substratos de vidro soda-cal (SLG) por co-sputtering de magnetron RF. Deposições foram realizadas sem aquecimento intencional do substrato, e a temperatura da câmara/substrato durante o sputtering foi mantida em 298 K ± 1 K. A distância alvo-substrato foi fixada em 55 mm para ambos os canhões de spitter. O alvo Bi2Te3 operava com uma potência RF fixa de 100 W, enquanto a potência RF do alvo Mn era variada (0, 5, 10 e 15 W) para ajustar a incorporação Mn ao longo da série de doping. Argônio (Ar) era usado como gás de pulverização a 4 sccm, e após a estabilização por plasma, a pressão de trabalho durante a deposição era mantida aproximadamente em (3–5) × 10⁻3 Torr. O suporte do substrato era girado continuamente a 10 rpm em uma única direção fixa para manter a uniformidade do filme. As espessuras do filme após 30 minutos de deposição variaram de 0,722 a 1,195 μm, dependendo da potência de RF Mn (Tabela 2). Esse protocolo pressupõe familiaridade com as práticas padrão de vácuo e operação segura de equipamentos de sputtering RF e ultravioleta (UV)–ozônio, e pequenos ajustes podem ser necessários dependendo do sistema de sputtering utilizado23.

Preparação do substrato
Os substratos de SLG eram cortados em pedaços de 1,5 cm × 2,5 cm, manuseados pelas bordas para evitar contaminação e lavados cuidadosamente com detergente de laboratório. Os substratos foram limpos usando uma solução de detergente de vidro de laboratório diluída preparada em água DI e depois enxaguados cuidadosamente até que não restasse nenhum resíduo visível. Água DI com resistividade de ≥18,2 MΩ·cm a 298 K foi usada para todas as etapas de enxaguamento. Os substratos foram então limpos sequencialmente em um banho ultrassônico usando metanol, acetona e álcool isopropílico por 10 minutos cada a 37 kHz, seguidos por enxágue em água DI por 20 minutos em um banho ultrassônico com temperatura controlada a 353 K23. Após a limpeza, os substratos eram mantidos nas bordas com uma pinça limpa, secos com gás nitrogênio suave (N2, pureza 99,99%) até que não restasse mais líquido visível, e aquecidos em uma placa quente a 393 K por 10 minutos para remover a umidade residual. Imediatamente antes da deposição, os substratos foram tratados em um limpador UV–ozônio por 10 minutos, usando as condições padrão de operação do instrumento.

Preparação da câmara e instalação do alvo
Antes da deposição, a poeira era removida do interior da câmara e as pistolas de borracha eram removidas usando um soprador de borracha limpa. O soprador era inspecionado visualmente e purgado várias vezes para longe da câmara antes do uso para minimizar a introdução acidental de partículas. Antes da primeira execução de deposição, qualquer folha antiga era removida, e folha de alumínio nova e resistente era usada para revestir as superfícies da câmara e cobrir o suporte do substrato. A folha foi firmemente fixada para evitar deslocamentos durante o bombeamento e a rotação do substrato e para reduzir a contaminação por resíduos de depósitos anteriores. A janela de visualização da câmara era protegida usando uma tampa de placa de Petri limpa (aproximadamente 94 mm de diâmetro) para minimizar o acúmulo de filme na janela, permitindo ainda a observação de plasma durante a pré-pulverização e a deposição. O alvo Bi2Te3 foi instalado no canhão RF 1 e o alvo Mn no canhão RF 2 (Figura 2), garantindo que ambos os alvos estivessem centralizados e montados firmemente, e os canhões fossem cobertos com escudos de alumínio. Nenhuma limpeza adicional pré-uso foi realizada nos alvos; no entanto, o condicionamento superficial foi alcançado durante a etapa pré-sputtering para remover contaminação superficial e óxidos nativos. O suporte do substrato foi limpo com metanol e deixado secar completamente. O isolamento elétrico era então verificado usando um multímetro em modo contínuo (audível). O aterramento era aceito quando um tom audível era detectado entre o corpo da câmara e a carcaça da arma, enquanto o isolamento elétrico era confirmado quando nenhum tom era detectado entre o corpo da câmara e cada superfície do alvo (circuito aberto).

figure-protocol-1
Figura 2. Fotografias anotadas do sistema de co-sputtering de magnetrons RF usado para deposição de filme fino Bi2Te 3 dopado com Mn. Fotografias representativas mostrando a câmara de sputtering, canhões RF, alvosBi 2 Te3 e Mn, suporte de substrato, substratos, sistema de resfriamento, bomba de vácuo e unidades de controle de parâmetros usadas durante a deposição de filme fino. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Deposição defilme fino Bi 2Te 3 dopada com Mn-doping
Pré-deposição
Substratos de teste foram inicialmente colocados sobre o suporte giratório do substrato para avaliar a estabilidade da deposição durante o condicionamento do alvo. A porta da câmara foi fechada e a desativação foi iniciada. Uma pressão suave foi aplicada ao redor da porta no início para garantir a vedação adequada, e a queda de pressão foi confirmada no manômetro. A pressão da câmara era monitorada usando o manômetro de vácuo do sistema integrado ao controlador de sputtering. O bombeamento continuou até que a pressão da câmara atingisse ≤5 × 10−3 Torr. O sistema era considerado pronto quando a leitura de pressão permanecia estável por ~3 minutos, correspondendo a uma deriva de pressão de ≤2 × 10−4 Torr durante o período de estabilização.

O sistema de resfriamento foi ligado e ajustado para 288 K, garantindo a circulação ativa do líquido de arrefecimento através de ambos os spiters antes da ignição por plasma. O resfriamento era fornecido usando água DI recirculada. Gás argônio de alta pureza (Ar, ≥99,999%) foi introduzido a 4 sccm e deixado estabilizar por ~2–5 min, ou até que o fluxo permanecesse estável em ≥3,9 sccm. A rotação do substrato era ajustada para 10 rpm em uma única direção fixa e mantida continuamente durante a pré-sputtering e deposição. A fonte de alimentação RF e o controlador de rede correspondente foram então ligados.

Para ambos os canhões RF, as configurações de rede de correspondência eram ajustadas usando a função Min/Max até Carga = 50 W e Ajuste = 50 W, após o que o modo controlador era alterado de Manual para Auto matching. A potência refletida era minimizada antes da ignição por plasma, e ≤5 W de potência refletida era usada como limiar de aceitação. Para o condicionamento pré-spitter, a potência RF era ajustada para 50 W no canhão Bi2Te3 e 10 W no canhão Mn antes da ignição por plasma. Plasma estável foi definido como um brilho constante mantido por ~1–2 minutos sem cintilação visível ou picos súbitos de pressão. Além da inspeção visual, a estabilidade do plasma foi confirmada quando a potência refletida permaneceu ≤5 W e as flutuações de pressão operacional permaneceram dentro de ±5% por ~1–2 min. Uma vez alcançado plasma estável em ambos os canhões, os alvos foram pré-sputtering por 15 minutos para remover contaminação superficial e óxidos nativos. Se o plasma não acendesse, a sputtering era interrompida e um breve reset do Ar era realizado desligando o fluxo de Ar por 10 s e depois restaurando o fluxo antes de tentar novamente a ignição. A ignição por plasma foi tentada até três vezes por canhão. Se a ignição não tivesse sucesso após três tentativas, o processo era encerrado e o sistema retornava a um estado seguro de espera para insuposição do fluxo de gás, circulação de resfriamento e condições de correspondência. Após a pré-pulverização, os substratos de teste foram removidos e os substratos limpos foram carregados para a execução de deposição.

Deposição em filme fino
Antes de carregar os substratos para a deposição, a poeira era removida do interior da câmara e da região do suporte da amostra usando um soprador de borracha limpa, e a janela de observação permanecia protegida com uma tampa limpa para placa de Petri para observação de plasma. Os alvos foram inspecionados para garantir que estavam devidamente assentados, centralizados e em boas condições. Os alvos eram considerados adequados quando a superfície parecia intacta e uniformemente colorida, sem rachaduras visíveis, cavidades profundas, delaminação, marcas de arco ("pontos de queimadura") ou partículas soltas. Além disso, cada alvo precisava estar firmemente preso e devidamente centralizado dentro do spitter. Os substratos limpos foram colocados simetricamente próximos à região externa do suporte giratório (aproximadamente 5–10 mm do centro do suporte), com o lado mais longo alinhado paralelo à borda do suporte (Figura 2).

A câmara era então bombeada para uma pressão base de 5 × 10−5 Torr ou menos. Na primeira execução de deposição, a evacuação foi realizada por pelo menos 5 horas ou até que a pressão base se estabilizasse no valor alvo. A estabilidade à pressão base foi definida como ≤5% de deriva de pressão ao longo de ~10 min. Após atingir a pressão base, o sistema de resfriamento foi estabilizado em 288 K, o fluxo de Ar foi ajustado para 4 sccm e estabilizado (≥3,9 sccm), e a rotação do substrato foi mantida a 10 rpm. As configurações de rede de correspondência para ambas as armas foram confirmadas (Carga = 50 W e Ajuste = 50 W), e a correspondência automática foi ativada.

A deposição foi realizada com potência RF Bi2Te3 fixa em 100 W e potência RF Mn inicialmente ajustada a 5 W para a primeira condição dopada com Mn. A distância alvo-substrato foi fixada em 55 mm tanto para os canhões Bi2Te3 quanto para os canhões Mn. Para uma ignição por plasma mais fácil, o canhão Bi2Te3 podia ser iniciado a 70 W e depois aumentado em 5 W a cada 10 segundos até atingir 100 W. O temporizador de deposição foi iniciado somente após a leitura de potência Bi2Te3 permanecer em 100 W por ~30 s e a estabilidade do plasma ser confirmada. Os filmes foram depositados por 30 minutos. Os principais parâmetros de co-sputtering são resumidos na Tabela 1. As espessuras resultantes do filme foram 0,886 μm (0 W), 0,722 μm (5 W), 1,079 μm (10 W) e 1,195 μm (15 W), conforme determinado pela análise de seção transversal (Tabela 2). Os passos de deposição foram repetidos para potências Mn RF de 10 e 15 W usando substratos novos, mantendo a potênciaBi 2Te3 , fluxo de Ar, velocidade de rotação, pressão base, temperatura e tempo de deposição inalterados.

ParâmetroBi2Te3 AlvoMn Target
Potência RF (W)1000, 5, 10, 15
Gás de trabalhoArAr
Vazão de gás (SCCM)44
Pressão base (Torr)5 × 10⁻⁵5 × 10⁻⁵
Distância alvo-substrato (mm)5555
Tempo antes do sputtering (min)1515
Velocidade de rotação do substrato (rpm)1010
Temperatura de deposição (K)298 ± 1298 ± 1
Tempo de deposição (min)3030

Tabela 1: Parâmetros de co-sputtering de magnetrons RF usados para a fabricação de filmesfinos Bi2Te 3 dopados com Mn.

Manuseio pós-deposição
Após o tempo de deposição ser concluído, o sistema podia completar sua sequência de desligamento. O desligamento era iniciado pelo controlador do sistema: a saída de RF era desligada primeiro, seguida pela redução do fluxo de Ar para 0 sccm, enquanto o sistema de resfriamento permanecia ativo até que a câmara fosse ventilada e os pistolas de spitter retornassem à temperatura próxima da ambiente. A câmara só foi ventilada depois que a bomba turbomolecular (TMP) deixou de funcionar para evitar danos ao equipamento. O indicador de status do TMP foi verificado para confirmar que a bomba havia parado (velocidade = 0) antes de ventilar. A câmara foi ventilada lentamente usando nitrogênio seco através da válvula de ventilação para permitir a equalização gradual da pressão e minimizar a perturbação das partículas.

A câmara só era aberta depois que a pressão retornava à pressão atmosférica aproximada (≈760 Torr) e a porta da câmara podia ser liberada sem resistência. Uma máscara e luvas eram usadas durante a remoção da amostra para reduzir a contaminação e a exposição a partículas finas. As amostras eram transferidas para uma placa de Petri limpa e armazenadas em um recipiente de armazenamento a vácuo. A caracterização era tipicamente realizada entre 24 e 72 horas após a deposição. Após a remoção da amostra, a câmara era bombeada de forma bruta por ~10–15 minutos até atingir a faixa típica de pressão de desbaste necessária antes da operação do TMP (aproximadamente 10–1 Torr) para reduzir a exposição ao ar ambiente e à umidade antes de desligar os controles restantes do sistema.

Caracterização e cálculos rotineiros pós-crescimento
A estrutura cristalina foi examinada por θ–2θ XRD usando radiação Kα (λ = 1,5406 Å) para confirmar a formação da fase Bi2Te3, orientação preferencial e para selecionar potenciais fases secundárias por comparação com as referências padrão JCPDS/ICDD24,25. As varreduras foram coletadas ao longo de 2θ = 5–80° com um passo de 0,05° e um tempo de contagem de 0,5 s por passo em modo de varredura contínua, usando um tubo de operado a 40 kV e 40 mA. Para comparação semi-quantitativa, os padrões foram corrigidos em contexto usando uma rotina automatizada de linha de base visualmente verificada, seguida por busca automática de picos usando um limiar fixo, após o qual os picos identificados foram usados para a correspondência de PDF26. Os padrões de difração foram comparados a cartões de referência Bi2Te3 (PDF 00-015-0863) e relacionados a Mn, incluindo α-Mn (PDF 00-032-0637) e β-Mn (PDF 00-033-0887). As porcentagens de correspondência relatadas foram usadas apenas como indicadores comparativos da contribuição cristalina relativa, pois a orientação preferida de filmes finos pode viesar estimativas de fase baseadas em intensidade.

O tamanho do cristalíto foi estimado a partir da reflexão dominante Bi2Te3 (015) usando o métodode Scherrer 27,28. A posição de pico (015) (2θ) foi registrada a partir do padrão XRD, e a largura total ao meio máximo (FWHM, β) foi obtida por ajuste de pico Gaussiano com a linha de base fixa ao fundo local sobre uma janela de ajuste restrita (015), onde β foi registrada em graus. Os encaixes foram aceitos quando os resíduos foram minimizados sem desvio sistemático. O ângulo de Bragg era calculado como θ = (2θ)/2, e β era convertido para radianos usando:

figure-protocol-2

O tamanho do cristalito foi então calculado usando a equação de Scherrer:

figure-protocol-3

onde K = 0,89, λ = 1,5406 Å, βradiador é o FWHM em radianos, e θ é o ângulo de Bragg do pico29 (015). Os valores D resultantes foram convertidos de Å para nm dividindo por 10. A microdeformação (ε) foi estimada a partir do aumento do pico usando:

figure-protocol-4

onde β é o FWHM em radianos e θ é o ângulode Bragg 30. A densidade de discordância (δ), que representa a densidade de defeitos dentro do cristal, foi calculada a partir do tamanho do cristalíto usando:

figure-protocol-5

onde D é o tamanho do cristalito. Neste trabalho, D foi expresso em nm, e portanto δ foi reportado em nm−2 31. Cálculos estruturais representativos, incluindo conversão de β, tamanho do cristalito, microdeformação e densidade de discordância, são resumidos na Tabela Suplementar 1.

A microestrutura superficial foi avaliada pelo FESEM operado a 3,0 kV usando condições de imagem consistentes (ampliação de 100,0 k×, campo de visão = 2,79 μm, barra de escala = 100 nm) em todas as condições de Mn para comparaçãodireta 32. As amostras eram montadas em tocos de alumínio usando fita de carbono condutora. Nenhum revestimento condutor foi aplicado; a carga era minimizada usando uma tensão de baixa aceleração (3,0 kV) e condições de imagem estáveis. A composição do filme foi avaliada usando EDX adquirido com o detector integrado ao microscópioeletrônico 33. Espectros de pontos EDX foram adquiridos a 15,0 kV com distância de trabalho de ~8,0–8,2 mm em modo de análise pontual. A aquisição foi realizada usando as configurações padrão do instrumento, e a análise quantitativa com subtração de fundo foi usada para reportar os valores de peso e percentual de peso.

O transporte TE no plano foi medido usando um sistema de medição Seebeck/resistividade. Amostras de filme fino (~2,0 cm × 1,5 cm) foram montadas usando um adaptador de quatro contatos de platina (Figura 3), e o coeficiente de Seebeck (S) foi medido em relação a um padrão Pt sob um gradiente de temperatura aplicado de aproximadamente 25 K34. As medições foram realizadas passo a passo de 323–523 K sob uma atmosfera de gás He (~1 atm). A temperatura foi aumentada entre os pontos de ajuste a uma taxa média de ~5–6 K·min⁻1, e em cada ponto de ajuste a amostra foi deixada a se equilibrar até que as leituras S e ρ se estabilizassem (tipicamente ~2–3 min). Três leituras consecutivas foram então registradas por ponto de temperatura em intervalos de 1,5 minutos. O valor PF foi calculado a partir do S (V/K) medido e da resistividade elétrica, ρ (Ω·m), usando a seguinte equação35:

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Figura 3. Configuração de montagem em filme fino para medições termoelétricas (TE) no plano usando um adaptador de platina de quatro contatos. Fotografias representativas mostrando a disposição de montagem de filmesfinos Bi2Te 3 dopados com Mn durante medições de coeficientes Seebeck e resistividade elétrica, incluindo o adaptador de platina, sondas termopar e almofadas de contato elétrico. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

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Resultados

Resultados representativos são apresentados para a série de potência Mn (0, 5, 10, 15 W), usando o filme não dopado (0 W) como condição de controle para comparações estruturais e de transporte.

Estrutura cristalina (XRD)
Padrões XRD confirmam que todas as amostras mantiveram a fase romboédrica Bi2Te3 (JCPDS No. 15-0863) ao longo da série de potência Mn, conforme mostrado na Figura 4. As re...

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Discussão

Este estudo demonstrou um fluxo de trabalho de co-sputtering de RF para adaptar o comportamento TE de filmes finos Bi2Te3, controlando a entrada RF Mn enquanto mantinha uma potência alvo constante de Bi2Te3. A XRD confirmou a presença da fase romboédrica Bi2Te3 (JCPDS No. 15-0863) com uma orientação preferencial (015) em todas as amostras. O deslocamento sistemático da reflexão (015) para valores mais altos de 2θ é consist...

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Divulgações

Os autores declaram não haver interesses financeiros concorrentes ou outros conflitos de interesses.

Agradecimentos

Os autores agradecem pelo apoio prestado pela Universiti Kebangsaan Malaysia, sob a bolsa GGPM-2022-069. Os autores também agradecem ao Instituto de Pesquisa em Energia Solar (SERI), Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM), pelo suporte técnico e acesso às instalações laboratoriais durante todo este estudo. Os autores reconhecem o Centro de Pesquisa e Gestão de Instrumentação (CRIM) por fornecer as instalações XRD e FESEM–EDX. Além disso, os autores reconhecem sinceramente a Universiti Sains Islam Malaysia (USIM) pelo acesso ao sistema de medição de resistividade de Seebeck/usado para medições de coeficientes de Seebeck e resistividade elétrica. Por fim, os autores expressam seu agradecimento a todos os colegas e membros da equipe que contribuíram para a conclusão bem-sucedida deste projeto.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Acetona (≥ 99.5%)Merck100012Solvente de limpeza de substrato
Papel alumínioPospaperroll86871915Revestimento da câmara e revestimento do suporte
Gás argônio (Ar)Gaslink Industrial Gases Sdn. Bhd.N/A (fornecido pelo distribuidor)Gás funcionando com solução; 4 escoamento SCCM; 5.0º ano (99,999%)
Alvo de pulverização de telureto de bismuto, 50,8 mm de diâmetro, 4,25 mm de espessura, 99,999%Changsha Xinkang Advanced Materials Co., Ltd.xk-Bi2Te3alvo Bi2Te3 alvo; potência RF fixa = 100 W
Água desionizadaInternoN/AEnxágue do substrato e limpeza ultrassônica
Detector de espectroscopia de raios X dispersivo de energiaIntegrado ao sistema FESEMN/AAnálise composicional de filmes finos
Microscópio eletrônico de varredura por emissão de campoCarl ZeissSUPRA 55VPImagem da microestrutura de superfície
Substratos de vidro, vidro soda-cal, 1,1 mm de espessuraMevidB105-2002Substrato para deposição de filme fino
Placa quenteIKAC-MAG HS 7Secagem do substrato a 393 K
Álcool isopropílico (≥ 99.8%)Merck109634Solvente de limpeza de substrato
Detergente de laboratórioMerck107553Limpeza inicial do substrato
Unidade de circulação de fluido de arrefecimentoFisher Scientific250LCUCirculação de resfriamento para pistolas de spitter
Metanol (≥ 99.9%)Merck106009Solvente de limpeza de substrato
Alvo de pulverização de manganês, 50,8 mm de diâmetro, 5,08 mm de espessura, 99,999%Hunan Boyu Technology Co., Ltd.N/Aalvo de Mn; A potência RF variava de 0 a 15 W
MultímetroRS PROEN61010-1 CATIIIVerificação de isolamento elétrico
Gás nitrogênio (N2)Gaslink Industrial Gases Sdn. Bhd.N/A (fornecido pelo distribuidor)Secagem do substrato após a limpeza; Série 4.0 (99,99%)
Tampa de placa de PetriMerck41121812Proteção da janela de visão da câmara; aproximadamente 94 mm de diâmetro e tempo; 16 mm de altura
Sistema de sputtering magnetron RFConstruídos sob medidaN/ACo-sputtering de filmes finos Bi2Te3 e Mn thin films
Sistema de medição Seebeck/resistividade com adaptador de platinaLinseisLSR-3 (LSR L31)Medições de coeficiente de Seebeck e resistividade elétrica
PinçaFisher Scientific10-316BManuseio de substratos limpos
Banho ultrassônicoElmaElmaSonic S30HLimpeza com solvente para metanol, acetona, álcool isopropílico e água DI
UV– Limpador de ozônioTecnologias NovascanPSDP-UV4Tratamento da superfície do substrato
Contêiner de armazenamento a vácuoCOMO UMA ÚNICA CORPORAÇÃOVMArmazenamento de amostras após a deposição
Profilômetro de caneta agulhaBrukerDektakXTMedição de espessura de filme fino
Difractômetro de raios XBrukerAVANÇAR D8θ – 2θ Escaneamentos XRD usando Kα Radiação
DIFFRAC. EVABrukerDIFFRAC. EVA versão 8Ajuste de picos, análise de difração e plotagem de grafos
OrigemOriginLabOriginPro (64 bits)Ajuste de picos e plotagem de gráficos

Referências

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