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

Resumo

Foi desenvolvido um protocolo de co-sputtering por radiofrequência para fabricar filmes_finos 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 filmes_finos 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 filmes_finos 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 es....

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 pot....

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.......

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.......

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Acetona (≥ 99.5%)	Merck	100012	Solvente de limpeza de substrato
Papel alumínio	Pospaperroll	86871915	Revestimento 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-Bi2Te3	alvo Bi2Te3 alvo; potência RF fixa = 100 W
Água desionizada	Interno	N/A	Enxágue do substrato e limpeza ultrassônica
Detector de espectroscopia de raios X dispersivo de energia	Integrado ao sistema FESEM	N/A	Análise composicional de filmes finos
Microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo	Carl Zeiss	SUPRA 55VP	Imagem da microestrutura de superfície
Substratos de vidro, vidro soda-cal, 1,1 mm de espessura	Mevid	B105-2002	Substrato para deposição de filme fino
Placa quente	IKA	C-MAG HS 7	Secagem do substrato a 393 K
Álcool isopropílico (≥ 99.8%)	Merck	109634	Solvente de limpeza de substrato
Detergente de laboratório	Merck	107553	Limpeza inicial do substrato
Unidade de circulação de fluido de arrefecimento	Fisher Scientific	250LCU	Circulação de resfriamento para pistolas de spitter
Metanol (≥ 99.9%)	Merck	106009	Solvente 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/A	alvo de Mn; A potência RF variava de 0 a 15 W
Multímetro	RS PRO	EN61010-1 CATIII	Verificação 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 Petri	Merck	41121812	Proteção da janela de visão da câmara; aproximadamente 94 mm de diâmetro e tempo; 16 mm de altura
Sistema de sputtering magnetron RF	Construídos sob medida	N/A	Co-sputtering de filmes finos Bi2Te3 e Mn thin films
Sistema de medição Seebeck/resistividade com adaptador de platina	Linseis	LSR-3 (LSR L31)	Medições de coeficiente de Seebeck e resistividade elétrica
Pinça	Fisher Scientific	10-316B	Manuseio de substratos limpos
Banho ultrassônico	Elma	ElmaSonic S30H	Limpeza com solvente para metanol, acetona, álcool isopropílico e água DI
UV– Limpador de ozônio	Tecnologias Novascan	PSDP-UV4	Tratamento da superfície do substrato
Contêiner de armazenamento a vácuo	COMO UMA ÚNICA CORPORAÇÃO	VM	Armazenamento de amostras após a deposição
Profilômetro de caneta agulha	Bruker	DektakXT	Medição de espessura de filme fino
Difractômetro de raios X	Bruker	AVANÇAR D8	θ – 2θ Escaneamentos XRD usando Kα Radiação
DIFFRAC. EVA	Bruker	DIFFRAC. EVA versão 8	Ajuste de picos, análise de difração e plotagem de grafos
Origem	OriginLab	OriginPro (64 bits)	Ajuste de picos e plotagem de gráficos