Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Исследовательская статья

Улучшение термоэлектрических свойств тонких пленок Bi2Te3 с помощью марганцевого сораспыления

178 просмотров

⸱

DOI:

10.3791/71082

⸱

5 июня 2026 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Был разработан протокол радиочастотного ко-распыления для изготовлениятонких пленок Bi2Te 3, легированных марганцем, и оценки влияния на структурные и термоэлектрические транспортные свойства марганца. Умеренное включение марганца улучшало равномерность пленки и транспортное поведение, связанное с фактором мощности, в то время как более высокий вклад марганца увеличивал структурный беспорядок и сопротивление.

Аннотация

Bi2Te3 остаётся эталонным термоэлектрическим материалом n-типа для преобразования энергии при низких температурах, но его небольшой зазор может снижать эффективность за счёт термически генерируемых паразитных носителей. Изучено элементное легирование для улучшения эффективности TE, хотя систематические исследования тонких пленок Bi 2 Te3, легированных марганцем(Mn), остаются ограниченными. В этом исследовании был использован рабочий процесс радиочастотного магнетрона для изготовлениятонких пленок Bi2Te 3, легированных Mn, с изменением мощности Mn мишени при сохранении постоянных условий осаждения Bi2Te3. Структурные, микроструктурные, составные и TE транспортные свойства оценивались с помощью рентгеновской дифракции, полевой эмиссионной сканирующей электронной микроскопии, энерги-дисперсионной рентгеновской спектроскопии и температурно-зависимых транспортных измерений. Рентгеновская дифракция подтвердила удержание ромбоэдрической фазы Bi2Te 3 с предпочтительной (015) ориентацией, тогда как пиковые сдвиги в сторону более высоких значений 2θ соответствовали сжатию решётки, связанной с Mn. Все пленки демонстрировали отрицательные коэффициенты Зеека, подтверждающие проводимость n-типа. Увеличение допинга Mn увеличило величину коэффициента Зеебека, но также увеличило электрическое сопротивление, демонстрируя компромисс между транспортом. Пленка, отложенная при мощности 5 Вт Мн, достигла максимального коэффициента мощности 529,33 мкВт м−1 К−2 при 523 К благодаря низкому сопротивлению в сочетании с достаточной термоэнергией. Эти результаты показывают, что умеренное включение Mn может улучшить производительность, связанную с коэффициентом мощности, тонких пленок Bi2Te3 в измеренном температурном диапазоне.

Введение

Термоэлектрические (TE) материалы играют ключевую роль в устойчивом преобразовании тепла в электрическую энергию, главным образом благодаря эффектам Зебека и Пельтье. Производительность материалов TE обычно оценивается с помощью коэффициента мощности (PF = S2/ρ), где S — коэффициент Зеебека, а ρ — электрическоесопротивление 1,2. Высокая S в сочетании с низким ρ указывает на эффективную транспортировку носителей, что необходимо для таких применений, как рекуперация отходного тепла, микрогенерация электроэнергии и твердотельное охлаждение в промышленных системах имикроэлектронике 3,4,5.

Среди различных материалов TE теллурид висмута (Bi2Te3) примечателен своей эффективностью при применении при комнатной температуре. Однако практическое применение ограничено хрупкостью, механической гибкостью и умеренным показателем заслуг (zT), что создаёт сложности при масштабной реализации2. Недавние достижения в технологиях производства тонкоплёнки, особенно распыление магнетрона, предлагают многообещающие подходы для преодоления этих ограничений. Тонкие пленки обеспечивают лучший контроль над составом и микроструктурой, что повышает мобильность носителей и механическую гибкость, что важно для высокоэффективных устройствTE 6. Ранее была продемонстрирована возможность адаптации этих свойств с помощью радиочастотного (RF) магнетронного распыления, что подтверждает его использование для получения однородных тонких пленок Bi2Te 3 с регулируемой толщиной и уровнемлегирования 7.

Катионное легирование, особенно марганец (Mn), стало перспективной стратегией для улучшения TE свойств Bi2Te3. Хотя исследования Mn-легированного Bi2Te 3 остаются менее обширными, чем исследования с участием других допантов, данные по смежным системам свидетельствуют о том, что инкорпорирование Mn может улучшить как электрические, так и структурныесвойства 8. Сообщается, что инкорпорирование MN влияет на концентрацию носителей и подвижность, влияя на коэффициент Зебека и электрическую проводимость, которые вместе определяют PF материалаTE 9. Кроме того, инкорпорирование Mn обсуждалось с точки зрения замещенных или связанных с дефектами механизмов инкорпорирования, которые могут вводить деформации решётки и точечные дефекты. Эти модификации могут усилить рассеяние фононов и потенциально снизить теплопроводность решётки, что является важным фактором производительностиTE 10. Исследования связанных Mn-легированных соединений, таких как Bi2Si2Te6, показывают, что Mn также может улучшать перенос заряда и вводить локализованные магнитные моменты, которые могут усиливать эффекты фононного рассеяния и снижать биполярнуюпроводимость 11. Следовательно, влияние Mn на эволюцию микроструктуры, формирование дефектов и рост зерен важно для повышения механической и тепловой устойчивости материаловTE 10,12.

Однако чрезмерное включение Mn может способствовать вторичным фазам, таким как MnTe, и усложнять транспортноеповедение 13; поэтому вход Mn должен тщательноконтролироваться 14. Кроме того, Mn может вводить акцепторные состояния внутри решётки Bi2Te3 и потенциально изменять поведение проводимости путём подавления топологического поверхностного транспорта, открытия зазора, снижения плотности свободных носителей и перехода от металлической к изоляционной или локализованной проводимости при достаточном легировании15,16. Эти соображения подчёркивают важность контроля инкорпорации Миннесоты во время распыления для установления надёжных отношений между структуройи свойством 17.

Недавние исследования показали, что Mn может быть включен в тонкие пленки на основе Bi2Te 3 и может измеримо влиять на структуру и электронный транспорт. Тонкие пленки Bi2−xMnxTe 3 демонстрируют Mn-зависимые изменения структурных и электрическихсвойств 18, в то время как тонкие пленки Mn:Bi 2Te3 также исследованы с помощью транспортных измерений, что указывает на то, что включение Mn может происходить без полного подавления хозяина Bi2Te3 фазы 19. В последнее время магнетронное распыление позволило получить нанокристаллические тонкие пленки Bi2Te 3, легированные Mn, что подтверждает возможность интеграции Mn с использованием масштабируемых тонкоплёночных осложнений20. Однако по сравнению с представительными распыляющимися n-типом тонкими пленками Bi2Te3, оптимизированными с помощью текстурной инженерии, модуляции дефектов и инженерии носителей, систематическая оптимизация тонких плёнок Bi 2 Te 3 с Mn-легированной системой остаётся сравнительнонедоизученной 7,21. Этот пробел стал мотивом для изучения контролируемого Mn-входа, представленного здесь.

В этом исследовании тонкие пленки Bi 2 Te 3,легированные Mn, были получены методом радиомагнетронного ко-распыления с использованием контролируемой Mn-входной серии и оценены с использованием рентгеновской дифракции (XRD), полевой эмиссионной сканирующей электронной микроскопии (FESEM), энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX), а также температурно-зависимых коэффициентов Зеебека и электрического сопротивления. Рисунок 1 схематически иллюстрирует конфигурацию co-sputtering, использованную в этой работе. Цель заключалась в использовании согласованной структуры распыления для изучения того, как вход Mn влияет на микроструктуру плёнки и транспортное поведение, связанное с PF, при сопоставимых условияхобработки 22.

figure-introduction-1
Рисунок 1. Схема конфигурации ко-распыления RF-магнетрона, используемой для тонкоплёночного осаджения с Mn-легированной Bi2Te3 . Схематическое представление схемы совместного распыления, показывающее положение мишени Bi2Te3 , мишени Миннесота, держателя подложки и расположения подложки внутри камеры осадки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

В этом исследовании не использовались люди, животные или биологические ткани; поэтому одобрение институциональной этики не требовалось.

Обзор
Тонкие пленки Bi 2 Te 3, легированные Mn, были нанесены на подложки из содо-известкового стекла (SLG) путём ко-распыления радио-магнетрона. Осадки проводились без намеренного нагрева подложки, а температура камеры/подложки во время распыления поддерживалась на уровне 298 К ± 1 К. Расстояние между мишень и подложкой было зафиксировано на уровне 55 мм для обоих распылительных орудий. Мишень Bi2Te3 работала с фиксированной мощностью 100 Вт, а мощность мишени Mn была изменяема (0, 5, 10 и 15 Вт) для настройки интеграции Mn по всей легировочной серии. Аргон (Ar) использовался в качестве распыляющего газа при 4 кубометрах, а после стабилизации плазмы рабочее давление при осаждении поддерживалось примерно на уровне (3–5) × 10⁻3 Торра. Держатель подложки вращался непрерывно со скоростью 10 об/мин в одном фиксированном направлении для поддержания равномерности пленки. Толщина плёнки после 30 минут осаждения варьировалась от 0,722 до 1,195 мкм, в зависимости от мощности Mn RF (Таблица 2). Этот протокол предполагает знакомство со стандартной вакуумной практикой и безопасную работу оборудования для радиочастотного распыления и ультрафиолетового (УФ)-озонового оборудования, и могут потребоваться незначительные корректировки в зависимости от используемой системыраспыления 23.

Подготовка субстрата
Субстраты SLG были нарезаны на 1,5 см × 2,5 см, обрабатывались по краям, чтобы избежать загрязнения, и тщательно вымывались с помощью лабораторного моющего средства. Субстраты очищались разбавленным раствором моющего средства для лабораторной посуды, приготовленным в DI-воде, а затем тщательно промывались до тех пор, пока не осталось видимых следов. Для всех этапов промывания использовалась вода DI с сопротивлением ≥18,2 Мом·см при 298 К. Затем субстраты последовательно очищались в ультразвуковой ванне с использованием метанола, ацетона и изопропилового спирта по 10 минут при 37 кГц, после чего промывали в DI-воде в течение 20 минут в контролируемой температуре ультразвуковой ванны при температуре 353K 23. После очистки субстраты удерживались по краям с помощью чистого пинцета, сушили с помощью мягкого азотного газа (N2, чистота 99,99%), пока не осталось видимой жидкости, и нагревались на горячей плите при температуре 393 К в течение 10 минут для удаления остаточной влаги. Непосредственно перед осадкой подложки обрабатывались УФ-озоновым очистителем в течение 10 минут с использованием стандартных условий работы прибора.

Подготовка камер и установка мишени
Перед осадкой пыль удалялась с внутренней части камеры и с помощью чистого резинового воздуходувка. Вентилятор был визуально осмотрен и несколько раз очищался от камеры перед использованием, чтобы минимизировать случайное попадание частиц. Перед первым запуском осадки старая фольга снималась, а поверхность камеры и держатель подложки использовалась свежей прочной алюминиевой фольгой. Фольга была плотно закреплена, чтобы предотвратить смещение при перекачке и вращении подложки, а также снизить загрязнение от остатков предыдущих отложений. Окно камеры было защищено чистой крышкой чашки Петри (примерно 94 мм диаметром), чтобы минимизировать накопление пленки на окне, при этом обеспечивая плазменное наблюдение во время предварительного распыления и осадки. Мишень Bi2Te3 был установлен на RF-пушку 1, а мишень Mn — на RF-пушке 2 (рисунок 2), обеспечивая центрирование и надёжную сборку обеих мишеней, а орудия были покрыты алюминиевыми щитами. Дополнительной предварительной очистки мишень не проводилось; однако на этапе предварительного распыления была проведена поверхностная обработка для удаления поверхностных загрязнений и местных оксидов. Держатель субстрата протёрли метанолом и дали полностью высохнуть. Электрическая изоляция затем проверялась с помощью мультиметра в режиме непрерывности (звуковой сигнал). Заземляние допускалось при обнаружении слышимого сигнала между корпусом патронника и корпусом орудия, тогда как электрическая изоляция подтверждалась при отсутствии сигнала между корпусом патронника и каждой поверхностью мишени (замкнутая цепь).

figure-protocol-1
Рисунок 2. Аннотированные фотографии системы ко-распыления радиочастотных магнетронов, используемой для тонкоплёночного осаждения Bi2Te 3 с легированной Минотной. Репрезентативные фотографии, показывающие камеру распыления, радиочастотные пушки, мишени Bi2Te3 и Mn, держатель подложки, подложки, систему охлаждения, вакуумный насос и блоки управления параметрами, используемые при тонкопленочном осадке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Mn-легированное тонкоплёночное осаждение Bi2Te 3
Предопрос
Испытательные подложки изначально размещались на вращающемся держателе подложки для оценки устойчивости осаждения при кондиционировании мишеней. Дверь камеры была закрыта, и началась откачка. В начале вокруг двери прилагалось мягкое давление для правильного герметизации, и падение давления подтверждалось на манометре. Давление в камере измерялось с помощью системного вакуумометра, интегрированного с контроллером системы распыления. Насос продолжался до тех пор, пока давление в камере не достигло ≤5 × 10−3 Торра. Система считалась готовой, когда показания давления оставались стабильными в течение ~3 минут, что соответствует дрейфу давления ≤2 × 10−4 Торра в период стабилизации.

Система охлаждения была включена и установлена на 288 К, обеспечивая активную циркуляцию охлаждающей жидкости через оба пистолета перед плазменным воспламенением. Охлаждение осуществлялось с помощью рециркулируемой DI-воды. Высокочистый аргон (Ar, ≥99,999%) был введён на 4 кубометра и стабилизировался в течение ~2–5 минут или до тех пор, пока поток не останется стабильным на уровне ≥3,9 куб. см. Вращение подложки было установлено на 10 об/мин в одном фиксированном направлении и поддерживалось непрерывно на протяжении всего предварительного распыления и осадки. Затем включались RF-блок питания и контроллер соответствующей сети.

Для обоих радиочастотных орудий настройки сети согласования регулировались с помощью функции Min/Max до Load = 50 W и Tune = 50 W, после чего режим контроллера был переключён с Manual на Auto. Отражённая мощность была минимизирована до плазменного воспламенения, и в качестве порога приема использовалась ≤5 Вт отражённой мощности. Для предварительной подготовки к распылению радиочастотная мощность устанавливалась на 50 Вт на орудии Bi2Te3 и 10 Вт на орудии Миннесота до плазменного зажигания. Стабильная плазма определялась как устойчивое свечение, поддерживаемое в течение ~1–2 минут без видимого мерцания или резких скачков давления. Помимо визуального осмотра, стабильность плазмы подтверждалась, когда отражённая мощность оставалась ≤5 Вт, а колебания рабочего давления оставались в пределах ±5% в течение ~1–2 минут. После достижения стабильной плазмы на обоих орудиях мишени предварительно распылялись в течение 15 минут для удаления поверхностного загрязнения и родных оксидов. Если плазма не воспламенялась, запыхание прекращалось, и выполнялась короткая перезагрузка Ar путём отключения потока Ar на 10 секунд, а затем восстановления потока перед повторной попыткой зажигания. Плазменное зажигание было выполнено до трёх раз на одну пушку. Если зажигание оставалось неудачным после трёх попыток, процесс прекращался и возвращался в безопасное состояние ожидания для проверки потока газа, циркуляции охлаждения и согласования условий. После предварительного распыления тестовые подложки были сняты, а очищенные субстраты загружались для осадки.

Осаждание тонкопленкой
Перед загрузкой субстратов для осадки пыль с внутренней части камеры и в области держателя образцов удалялась с помощью чистого резинового воздуходувка, а окно для просмотра оставалось защищённым чистой крышкой чашки Петри для плазменного наблюдения. Цели были проверены для того, чтобы убедиться, что они правильно расположены, центрированы и находятся в хорошем состоянии. Мишени считались подходящими, если поверхность выглядела целой и равномерно окрашенной, без видимых трещин, глубоких ям, деламинаций, дуговых следов («пятен ожогов») или рыхлых частиц. Кроме того, каждая мишень должна была быть надёжно зажата и правильно центрирована внутри распылительного пистолета. Очищенные подложки размещались симметрично возле внешней области вращающегося держателя (примерно в 5–10 мм от центра держателя), при этом более длинная сторона была выровнена параллельно краю держателя (см. рисунок 2).

Затем камера перекачивалась до базового давления 5 × 10−5 Торр или ниже. Для первого запуска осадки эвакуация проводилась не менее 5 часов или до стабилизации базового давления на целевом значении. Стабильность базового давления определялась как ≤5% дрейф давления за ~10 минут. После достижения базового давления система охлаждения стабилизировалась на 288 K, Ar поток был установлен на 4 sccm и стабилизирован (≥3,9 sccm), а вращение подложки поддерживалось на 10 об/мин. Настройки сети согласования для обоих орудий были подтверждены (Load = 50 Вт и Tune = 50 W), а также включено автосопоставление.

Осаждение проводилось с использованием мощности Bi2Te3 RF, установленной на 100 Вт, и Mn RF мощности, первоначально установленной на 5 Вт для первого легированного Mn-легированного состояния. Расстояние между мишень и подложкой было зафиксировано на уровне 55 мм для орудий Bi2Te3 и Mn. Для облегчения плазменного зажигания пушку Bi2Te3 можно было запускать на 70 Вт, а затем увеличивать на 5 Вт каждые 10 секунд до достижения 100 Вт. Таймер осадки был запущен только после того, как считывание мощности Bi2Te3 оставалось на уровне 100 Вт в течение ~30 с и была подтверждена стабильность плазмы. Пленки помещались на 30 минут. Ключевые параметры совместного распыления приведены в таблице 1. Полученные толщины плёнки составляли 0,886 мкм (0 Вт), 0,722 мкм (5 Вт), 1,079 мкм (10 Вт) и 1,195 мкм (15 Вт), согласно анализу поперечного сечения (Таблица 2). Этапы осаждения повторялись для мощностей MN RF мощностей 10 и 15 Вт с использованием новых субстратов, при этом мощность Bi2Te 3 сохранялась без изменений мощности Bi 2 Te, потока Ar, скорости вращения, базового давления, температуры и времени накопления.

ПараметрBi2Te3 TargetМиннесота Таргет
Мощность РЧ (W)1000, 5, 10, 15
Рабочий газArAr
Расход газа (SCCM)44
Базовое давление (Торр)5 × 10⁻⁵5 × 10⁻⁵
Расстояние от мишени до подложки (мм)5555
Время до распыления (минимум)1515
Скорость вращения подложки (об/мин)1010
Температура осаждения (K)298 ± 1298 ± 1
Время осадки (минимум)3030

Таблица 1: Параметры ко-распыления магнитрона РЧ, используемые для изготовлениятонких плёнок Bi2Te 3, легированных Mn.

Обработка после депозиции
После завершения времени депозиции системе разрешалось завершить последовательность отключения. Отключение инициировалось через контроллер системы: сначала отключался радиочастотный выход, затем снижался поток Ar до 0 sccm, в то время как система охлаждения оставалась активной до выхода из камеры и возвращения распылительных пистолетов до температуры, близкой к окружающей температуре. Камера вентиляционировала только после того, как турбомолекулярный насос (TMP) перестал работать, чтобы избежать повреждений оборудования. Индикатор состояния TMP был проверен, чтобы убедиться, что насос остановился (скорость = 0) перед вентиляцией. Камера медленно выпускалась сухим азотом через вентиляционный клапан, чтобы обеспечить постепенное выравнивание давления и минимизировать возмущение частиц.

Камера открывалась только после возвращения давления примерно до атмосферного давления (≈760 Торр), и дверцы камеры можно было освободить без сопротивления. При извлечении образца надевали маски и перчатки для снижения загрязнения и воздействия мелких частиц. Образцы перемещались в чистую чашку Петри и хранили в вакуумном контейнере. Характеристика обычно проводилась в течение 24–72 часов после осадки. После извлечения образца камера подвергалась грубой накачке в течение ~10–15 минут, пока не достигла типичного диапазона грубого давления, необходимого для работы TMP (примерно 10–1 Торр), чтобы снизить воздействие окружающего воздуха и влаги перед отключением оставшихся систем управления.

Рутинная характеристика и расчёты после роста
Кристаллическая структура была исследована с помощью θ–2θ XRD с использованием излучения Cu Kα (λ = 1,5406 Å) для подтверждения фазового образования Bi2Te3, предпочтительной ориентации и скрининга потенциальных вторичных фаз с помощью стандартных эталонов JCPDS/ICDD 24,25. Сканирование проводилось с углом 2θ = 5–80° с размером шага 0,05° и временем отсчёта 0,5 с на шаг в режиме непрерывного сканирования, используя электромагнитную лампу с напряжением 40 кВ и 40 мА. Для полуколичественного сравнения закономерности корректировались с помощью визуально верифицированной автоматизированной базовой процедуры, затем осуществлялся автоматический поиск пиков с фиксированным порогом, после чего выявленные пики использовались для PDF-сопоставления26. Дифракционные картины были сопоставлены с Bi2Te3 (PDF 00-015-0863) и референсными картами, связанными с MN, включая α-Mn (PDF 00-032-0637) и β-Mn (PDF 00-033-0887). Указанные проценты совпадения использовались только как сравнительные показатели относительного вклада кристаллов, поскольку предпочтительная ориентация тонкоплёнки может искажать фазовые оценки на основе интенсивности.

Размер кристаллита был оценён по доминирующему отражению Bi2Te 3 (015) с использованием методаШеррера 27,28. Пиковое положение (015) (2θ) фиксировалось по узору XRD, а полная ширина на половине максимума (FWHM, β) получалась с помощью гауссовского пика с базовой линией, закреплённой на локальном фоне через ограниченное окно (015), где β фиксировалось в градусах. Припадения принимались при минимизации остатков без систематических отклонений. Угол Брэгга был рассчитан как θ = (2θ)/2, а β преобразовался в радианы с помощью следующих параметров:

figure-protocol-2

Размер кристаллита затем рассчитывался с помощью уравнения Шеррера:

figure-protocol-3

где K = 0,89, λ = 1,5406 Å, βрад — это FWHM в радианах, а θ — угол Брэгга пика (015)29. Полученные значения D преобразовывались из Å в нм путем деления на 10. Микроштамм (ε) оценивался от пика расширения с помощью следующих факторов:

figure-protocol-4

где β — FWHM в радианах, а θ — уголБрэгга 30. Плотность дислокации (δ), отражающая плотность дефекта внутри кристалла, была рассчитана из размера кристаллита с исполнением:

figure-protocol-5

где D — размер кристаллита. В этой работе D экспрессировался в нм, поэтому δ был представлен в нм−2 31. Репрезентативные структурные расчёты, включая β превращение, размер кристаллита, микродеформации и плотность дислокаций, обобщены в Дополнительной таблице 1.

Микроструктура поверхности была оценена FESEM при 3,0 кВ с использованием согласованных условий визуализации (увеличение 100,0 к×, поле зрения = 2,79 мкм, масштабная полоса = 100 нм) во всех условиях Миннесота для прямогосравнения 32. Образцы монтировались на алюминиевых заготовках с использованием проводящей углеродной ленты. Проводящее покрытие не наносилось; Зарядка минимизировалась за счёт низкого ускоряющего напряжения (3,0 кВ) и стабильных условий съёмки. Состав пленки оценивался с помощью EDX, полученного с помощью детектора, интегрированного с электронныммикроскопом 33. Точечные спектры EDX были получены при 15,0 кВ с рабочим расстоянием ~8,0–8,2 мм в режиме точечного анализа. Получение осуществлялось с использованием стандартных настроек инструмента, а количественный анализ с фоновым вычитанием применялся для отображения значений массы и в процентах.

Внутриплоский транспорт TE измерялся с помощью системы измерения Зебека и сопротивления. Тонкоплёночные образцы (~2,0 см × 1,5 см) монтировались с помощью платинового четырёхконтактного адаптера (рисунок 3), а коэффициент Зеебека (S) измерялся относительно стандарта Pt при приложенном температурном градиенте примерно 25K 34. Измерения проводились поэтапно от 323 до 523 К в атмосфере газа He (~1 атм). Температура повышалась между заданными точками со средней скоростью ~5–6 К·мин⁻1, и в каждой заданной точке образец уравновешивались, пока значения S и ρ не стабилизировались (обычно ~2–3 мин). Затем фиксировались три последовательных измерения на температурную точку с интервалом в 1,5 минуты. Значение PF было рассчитано на основе измеренного S (V/K) и электрического сопротивления ρ (Ω·m) с использованием следующегоуравнения 35:

figure-protocol-6

figure-protocol-7
Рисунок 3. Тонкопленочная монтажная конфигурация для измерений термоэлектрических (TE) измерений в плоскости с использованием платинового четырёхконтактного адаптера. Репрезентативные фотографии, показывающие монтажное устройство тонкой плёнок Bi 2 Te 3 с легированными Mn-легированными материалами при измерениях коэффициента Зеебека и электрического сопротивления, включая платиновый адаптер, термопарные зонды и электрические контактные площадки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Представлены репрезентативные результаты для ряда мощностей Миннесота (0, 5, 10, 15 Вт), используя необработанную плёнку (0 Вт) в качестве контрольного условия для сравнения конструкций и транспорта.

Кристаллическая структура (XRD)
Схемы XRD подтверждают, что все образцы сохраняли ромбоэдрическую фазу Bi2Te 3 (JCPDS No. 15-0863) по всем силовым рядам Mn, как показано на рисунке 4. Доминиру...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

В этом исследовании продемонстрирован рабочий процесс радиочастотного ко-распыления для настройки поведения TE тонких пленок Bi2Te3 путём управления входом Mn RF при сохранении постоянной мощности Bi2Te3. XRD подтвердил наличие ромбоэдрической фазы Bi2Te3 (JCPDS No 15-0863) с предпочтительной ориентацией (015) по всем образцам. Систематический сдвиг отражения (015) в сторону более высоких значений 2θ соответствует сжатию р...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не заявляют о конкурирующих финансовых интересах или других конфликтах интересов.

Благодарности

Авторы выражают благодарность за поддержку, оказанную Университетом Кебангсаан Малайзии в рамках гранта GGPM-2022-069. Авторы также благодарят Институт исследований солнечной энергетики (SERI) Университета Кебангсаан Малайзии (UKM) за техническую поддержку и доступ к лабораторным помещениям в ходе этого исследования. Авторы отмечают Центр исследований и управления приборами (CRIM) за предоставление возможностей XRD и FESEM–EDX. Кроме того, авторы искренне признают Universiti Sains Islam Malaysia (USIM) за доступ к системе измерения Зебека/сопротивления, используемой для измерения коэффициентов Зебека и электрического сопротивления. Наконец, авторы выражают благодарность всем коллегам и сотрудникам, которые внесли вклад в успешное завершение этого проекта.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Ацетон (≥ 99.5%)Merck100012Растворитель для очистки подложки
Алюминиевая фольгаPospaperroll86871915Облицовка камеры и покрытие держателя подложки
Аргоновый газ (Ar)Gaslink Industrial Gases Sdn. Bhd.N/A (поставляется дистрибьютором)Забрызгивающий рабочий газ; поток 4 SCCM; Класс 5,0 (99,999%)
Мишень для распыления теллурида висмута, диаметр 50,8 мм, толщина 4,25 мм, 99,999%Changsha Xinkang Advanced Materials Co., Ltd.xk-Bi2Te3Bi2Te3 цель; фиксированная радиочастотная мощность = 100 Вт
Деионизированная водаВнутри компанииН/ДПромывка подложки и ультразвуковая очистка
Детектор рентгеновской спектроскопии с дисперсионной энергиейИнтеграция с системой FESEMН/ДТонкопленочный композиционный анализ
Полевой эмиссионный сканирующий электронный микроскопКарл ЦейссSUPRA 55VPВизуализация поверхностной микроструктуры
Стеклянные подложки, содо-известковае стекло, толщиной 1,1 ммМевидB105-2002Подложка для тонкоплёночного осаждения
Горячая плитаIKAC-MAG HS 7Сушка субстрата при 393 K
Изопропиловый спирт (≥ 99.8%)Merck109634Растворитель для очистки подложки
Лабораторное моющее средствоMerck107553Начальная очистка подложки
Блок циркуляции охлаждающей жидкостиFisher Scientific250LCUЦиркуляция охлаждения для пистолетов с распылять
Метанол (≥ 99.9%)Merck106009Растворитель для очистки подложки
Марганцевая мишень, диаметр 50,8 мм, толщина 5,08 мм, 99,999%Hunan Boyu Technology Co., Ltd.Н/ДМиннесота цель; Мощность радиочастот варьировалась от 0 до 15 Вт
МультиметрRS PROEN61010-1 CATIIIПроверка электрической изоляции
Азотный газ (N2)Gaslink Industrial Gases Sdn. Bhd.N/A (поставляется дистрибьютором)Сушка субстрата после чистки; Класс 4.0 (99.99%)
Крышка чашки ПетриMerck41121812Защита окон для просмотра камер; примерно 94 мм в диаметре и разрезы; Высота 16 мм
Система распыления радиочастотных магнетроновИзготовленные на заказН/ДКо-распыление Bi2Te3 и Mn тонких пленок
Система измерения сопротивления Seebeck/сопротивления с платиновым адаптеромЛинсейсLSR-3 (LSR L31)Коэффициенты Зебека и измерения электрического сопротивления
ПинцетFisher Scientific10-316BОбращение с очищенными субстратами
Ультразвуковая ваннаЭлмаElmaSonic S30HОчистка растворителем для метанола, ацетона, изопропилового спирта и воды с DI
UV– ОзоночистительNovascan TechnologiesPSDP-UV4Обработка поверхности подложки
Вакуумный контейнер для храненияAS ONE CorporationVMХранение образцов после осаждения
Филометр со стилусомBrukerDektakXTИзмерение толщины тонкоплёнки
Рентгеновский дифрактометрBrukerD8 ADVANCEθ – 2 и тета; XRD-сканирование с использованием Cu Kα Радиация
DIFFRAC. EVABrukerDIFFRAC. EVA версии 8Подгонка пиков, дифракционный анализ и построение графиков
ПроисхождениеOriginLabOriginPro (64-битный)Подгонка пиков и построение графиков

Ссылки

  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.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Улучшение термоэлектрических свойств тонких пленок Bi2Te3 с помощью марганцевого сораспыления
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.