Yöntem makalesi

Radyo Frekanslı Magnetron Püskürtme Tekniği ile Bi2Te3 ve Sb2Te3 Termoelektrik İnce Filmlerin İmalatı

4.2K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/66248

⸱

17 Mayıs 2024

 ,  ,  ,  ,  , 
1Solar Energy Research Institute (SERI), Universiti Kebangsaan Malaysia, 2Faculty of Science and Technology, Universiti Sains Islam Malaysia

Bu makalede

Özet

El yazması, Bi2Te3 ve Sb2Te3 termoelektrik ince filmlerin cam yüzeyler üzerine radyo frekansı magnetron püskürtmesi için bir protokolü açıklar ve bu, daha fazla geliştirme potansiyeli olan geniş bir uygulama yelpazesi sağlayan güvenilir bir biriktirme yöntemini temsil eder.

Özet

Termoelektrik (TE) malzemeler üzerinde yapılan çeşitli çalışmalar sayesinde, ince film konfigürasyonu, kavisli ve esnek alt tabakalara uyarlanabilirlik de dahil olmak üzere geleneksel dökme TE'lere göre üstün avantajlar sağlar. Birkaç farklı ince film biriktirme yöntemi araştırılmıştır, ancak magnetron püskürtme, yüksek biriktirme verimliliği ve ölçeklenebilirliği nedeniyle hala uygundur. Bu nedenle, bu çalışma, radyo frekansı (RF) magnetron püskürtme yöntemi ile bir bizmut tellürür (Bi2Te3) ve antimon tellür (Sb2Te3) ince filmi üretmeyi amaçlamaktadır. İnce filmler, ortam sıcaklığında soda kireç camı yüzeyleri üzerinde biriktirildi. Yüzeyler önce su ve sabun kullanılarak yıkandı, 10 dakika boyunca metanol, aseton, etanol ve deiyonize su ile ultrasonik olarak temizlendi, nitrojen gazı ve sıcak plaka ile kurutuldu ve son olarak kaplama işleminden önce kalıntıları gidermek için 10 dakika boyunca UV ozon altında muamele edildi. Argon gazı ile Bi2Te3 ve Sb2Te3'lük bir püskürtme hedefi kullanıldı ve hedefin yüzeyini temizlemek için ön püskürtme yapıldı. Daha sonra, püskürtme odasına birkaç temiz alt tabaka yüklendi ve oda, basınç 2 x 10-5 Torr'a ulaşana kadar vakumlandı. İnce filmler, Bi 2 Te3 veSb2Te3 için sırasıyla 75 W ve 30 W'ta 4 sccm Argon akışı ve RF gücü ile 60 dakika boyunca biriktirildi. Bu yöntem, oldukça homojen n-tipi Bi2Te3 ve p-tipi Sb2Te3 ince filmlerle sonuçlandı.

Giriş

Termoelektrik (TE) malzemeler, Seebeck etkisi1 yoluyla termal enerjiyi elektriğe dönüştürme ve Peltier soğutma2 yoluyla soğutma yetenekleri konusunda önemli miktarda araştırma ilgisi çekmektedir. TE malzemesinin dönüşüm verimliliği, TE bacağının sıcak ucu ile soğuk ucu arasındaki sıcaklık farkı ile belirlenir. Genel olarak, sıcaklık farkı ne kadar yüksek olursa, TE liyakat rakamı o kadar yüksek ve verimliliği o kadar yüksekolur 3. TE, prosesinde gaz veya sıvı içeren ek mekanik parçalara ihtiyaç duymadan çalışır, atık veya kirlilik üretmez, bu da onu çevre açısından güvenli hale getirir ve yeşil enerji toplama sistemi olarak kabul edilir.

Bizmut tellür, Bi2Te3 ve alaşımları, TE malzemesinin en önemli sınıfı olmaya devam etmektedir. Atık ısının geri kazanımı gibi termoelektrik enerji üretiminde bile, Bi2Te3 alaşımları, 200 ° C'ye kadar üstün verimlilikleri nedeniyle en yaygın olarak kullanılır4 ve çeşitli TE malzemelerinde 2'den fazla zT değerine rağmen ortam sıcaklığında mükemmel bir TE malzemesi olarak kalır5. Yayınlanmış birkaç makale, stokiyometrik Bi2Te3'ün n-tipi özellikleri gösteren negatif bir Seebeck katsayısı 6,7,8'e sahip olduğunu gösteren bu malzemenin TE özelliklerini incelemiştir. Bununla birlikte, bu bileşik, sırasıyla antimon tellür (Sb2Te3) ve bizmut selenit (Bi2Se3) ile alaşımlanarak p ve n tipine ayarlanabilir, bu da bant aralıklarını artırabilir ve bipolar etkileri azaltabilir9.

Antimon tellür, Sb2Te3, düşük sıcaklıkta yüksek liyakat rakamına sahip bir başka köklü TE malzemesidir. Stokiyometrik Bi2Te3, n-tipi özelliklere sahip harika bir TE iken, Sb2Te3, p-tipi özelliklere sahiptir. Bazı durumlarda, TE malzemelerinin özellikleri genellikle n-tipi Te-zengin Bi2Te3 gibi malzemenin atomik bileşimine bağlıdır, ancak BiTe antisit alıcı kusurları nedeniyle p-tipi Bi-zengin Bi2Te3 4. Bununla birlikte, Sb2Te3, Te bakımından zengin Sb2Te34'te bile, SbTe antisit defektlerinin nispeten düşük oluşum enerjisi nedeniyle her zaman p-tipidir. Böylece, bu iki malzeme, çeşitli uygulamalar için termoelektrik jeneratörün pn modülünü imal etmek için uygun adaylar haline gelir.

Mevcut konvansiyonel TEG'ler, seri10'da dikey olarak bağlanmış n-tipi ve p-tipi yarı iletkenlerin doğranmış külçelerinden yapılmıştır. Düşük verimlilikleri ve hacimli, sert yapıları nedeniyle sadece niş alanlarda kullanılmıştır. Zamanla, araştırmacılar daha iyi performans ve uygulama için ince film yapılarını keşfetmeye başladılar. İnce film TE'nin, düşük ısı iletkenliği 11,12, daha az malzeme miktarı ve entegre devre12 ile daha kolay entegrasyonu nedeniyle daha yüksek zT gibi hacimli muadillerine göre avantajları olduğu bildirilmektedir. Sonuç olarak, nanomalzeme yapısının avantajlarından yararlanan ince film termoelektrik cihazlar üzerine niş TE araştırmalarıartmaktadır 13,14.

İnce filmin mikrofabrikasyonu, yüksek performanslı TE malzemeleri elde etmek için önemlidir. Bu amaca hizmet etmek için kimyasal buhar biriktirme15, atomik katman biriktirme 16,17, darbeli lazer biriktirme 18,19,20, serigrafi 8,21 ve moleküler ışın epitaksi22 dahil olmak üzere çeşitli biriktirme yaklaşımları araştırılmış ve geliştirilmiştir. Bununla birlikte, bu tekniklerin çoğu yüksek işletme maliyeti, karmaşık büyüme süreci veya karmaşık malzeme hazırlığından muzdariptir. Aksine, magnetron püskürtme, daha yoğun, daha küçük tane boyutu sergileyen, daha iyi yapışma özelliğine ve yüksek homojenliğe sahip yüksek kaliteli ince filmler üretmek için uygun maliyetli bir yaklaşımdır 23,24,25.

Magnetron püskürtme, çeşitli endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılan plazma bazlı fiziksel buhar biriktirme (PVD) işlemlerinden biridir. Püskürtme işlemi, bir hedefe (katot) yeterli voltaj uygulandığında, kızdırma deşarj plazmasından gelen iyonlar hedefi bombardıman ettiğinde ve sadece ikincil elektronları değil, aynı zamanda sonunda substratın yüzeyini etkileyen katot malzemelerinin atomlarını da serbest bıraktığında çalışır ve ince bir film olarak yoğunlaşır. Püskürtme işlemi ilk olarak 1930'larda ticarileştirilmiş ve 1960'larda geliştirilmiş, doğru akım (DC) ve RF püskürtme26,27 kullanarak çok çeşitli malzemeleri biriktirme kabiliyeti nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Magnetron püskürtme, manyetik alan kullanarak düşük biriktirme hızının ve yüksek alt tabaka ısıtma etkisinin üstesinden gelir. Güçlü mıknatıs, plazmadaki elektronları hedefin yüzeyinde veya yakınında sınırlar ve oluşan ince filmin zarar görmesini önler. Bu konfigürasyon, biriken ince filmin stokiyometrisini ve kalınlık homojenliğinikorur 28.

Magnetron püskürtme yöntemi kullanılarak Bi2Te3 ve Sb2Te3 termoelektrik ince filmlerin hazırlanması da kapsamlı bir şekilde incelenmiş, prosedürlere doping 4,29,30 ve tavlama31 gibi teknikler dahil edilerek farklı performans ve kaliteye yol açmıştır. Zheng ve ark.32 tarafından yapılan çalışma, ayrı ayrı püskürtülen Ag katkılı Bi ve Te tabakasını yaymak için termal olarak indüklenen difüzyon yöntemini kullanır. Bu yöntem, ince filmlerin bileşimi üzerinde hassas kontrol sağlar ve Te'nin termal indüksiyonla difüzyonu, Te'nin uçmasını önler. İnce filmlerin özellikleri, püskürtmeden önce ön kaplama işlemi33 ile de geliştirilebilir, bu da yüksek taşıyıcı hareketliliği nedeniyle daha iyi elektrik iletkenliği ile sonuçlanır ve sonuç olarak güç faktörü artar. Bunun dışında, Chen ve ark.34 tarafından yapılan çalışma, selenizasyon sonrası difüzyon reaksiyonu yöntemi ile Se'yi doping yaparak püskürtülen Bi2Te3'ün termoelektrik performansını iyileştirdi. İşlem sırasında Se buharlaşır ve Bi-Te-Se filmleri oluşturmak için Bi-Te ince filmlere yayılır, bu da katkısız Bi2Te3'ten 8 kat daha yüksek güç faktörü ile sonuçlanır.

Bu makale, Bi2Te3 ve Sb2Te3 ince filmlerini cam yüzeyler üzerine biriktirmek için RF magnetron püskürtme tekniği için deneysel kurulumumuzu ve prosedürümüzü açıklamaktadır. Püskürtme, Şekil 1'deki şematik diyagramda gösterildiği gibi yukarıdan aşağıya bir konfigürasyonda gerçekleştirildi, katot substrat normaline bir açıyla monte edildi, bu da substrata daha konsantre ve yakınsak bir plazmaya yol açtı. Filmler, yüzey morfolojilerini, kalınlıklarını, bileşimlerini ve termoelektrik özelliklerini incelemek için FESEM, EDX, Hall etkisi ve Seebeck katsayısı ölçümü kullanılarak sistematik olarak karakterize edildi.

figure-introduction-1
Şekil 1: Yukarıdan aşağıya yapılandırma püskürtme şeması. Diyagram, üstten bakıldığında püskürtülecek cam alt tabakaların düzenlenmesi de dahil olmak üzere, bu çalışma için mevcut olan gerçek püskürtme konfigürasyonuna göre ölçeklendirilmemiş, ancak ölçeklendirilmeyecek şekilde tasarlanmıştır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Protokol

1. Yüzey hazırlığı

  1. Gevşek kir veya kalıntıları temizlemek için cam yüzeyleri tüy bırakmayan bir bezle silin. Cam yüzeyleri su ve sabunla yıkayın, camdaki kirleri temizlemek için fırça kullanın.
  2. Aşağıda listelenen tüm çözücüleri beherlerde hazırlayın, cam alt tabakaları çözücüye batırın ve buna göre 37 kHz'de sonikasyon yapın. Metanolü 80 °C'de 10 dakika hazırlayın; aseton 80 °C'de 10 dakika, etanol 80 °C'de 10 dakika, damıtılmış (DI) su 80 °C'de 20 dakika.
    DİKKAT: Çeker ocakta yüksek derecede uçucu kimyasalları kullanın.
  3. Bir cımbız kullanarak alt tabakaları beherden tek tek çıkarın, temiz düz bir yüzeye koyun, alt tabakayı cımbızla tutun ve kuruyana kadar nitrojen gazı ile üfleyin.
  4. Kalıntıları buharlaştırmak için alt tabakaları 120 °C'de 5-10 dakika sıcak bir plakaya koyun. Alt tabakaları 10 dakika boyunca UV ozon temizleyiciye koyun.

2. Püskürtme yöntemi

  1. Oda hazırlığı
    1. Alüminyum kalkanı tabancadan çıkarın ve hedef malzemeyi kapağın ortasına koyun. Kapağı magnetron tutucusuna sıkıca vidalayın ve alüminyum kalkanı geri takın. Haznenin, tabancaların ve numune tutucunun gövdesini alüminyum folyo ile kaplayın.
    2. Hazne gövdeleri (kısa), ardından hazne gövdesi ve tabanca (kısa) ve son olarak hazne gövdesi ve hedef (açık) arasındaki bir multimetrenin problarına dokunarak kısa devre incelemesi yapın. Bu test, vücut (anot) ile hedef (katot) arasında plazma oluşumunu engelleyebilecek herhangi bir akım kaçağı olmadığından emin olmak için gereklidir.
  2. Ön püskürtme
    1. Kapıyı kapatın ve hazneyi 15 - 30 dakika vakumlayın. Kapının sıkıca kapandığından emin olmak için süpürmenin başlangıcında kapıyı ve gövdeyi birbirine bastırın. Basınç göstergesinin okumasının azaldığından emin olun.
    2. Soğutucu sistemi AÇIN ve 15 °C'ye ayarlayın. Pompayı ve soğutma düğmesini AÇIN ve püskürtme cihazına bağlı vanayı açın.
      NOT: RF püskürtme, soğutma sistemi olmadan çalışmaz. Plazma oluşumu gerçekleşmeyecek.
    3. Argon akışını 4 sccm'ye ayarlayın ve gaz geçiş anahtarını AÇIN. Akış ayarlanan değere ulaşana kadar bekleyin.
    4. Dönüşü 10 rpm'ye ayarlayın ve dönüş geçiş anahtarını AÇIN. Otomatik eşleşen ağ denetleyicisini ve radyo frekansı güç kaynağını AÇMAK için Güç düğmesine basın.
    5. Otomatik eşleşen ağ denetleyicisinde, Min/Maks düğmesine basarak yükü ve ayarlamayı 50 W'a ayarlayın ve düğmeyi Manuel'den Otomatik'e itin.
    6. Radyo frekansı güç kaynağında, RF gücünü 50 W olarak ayarlayın ve Başlat düğmesine basın. Zamanlayıcıyı 15 dakikaya ayarlayın.
    7. RF gücünü ve dönüşünü KAPATIN. Argon akışını 0'a ayarlayın ve geçiş anahtarını KAPALI konuma getirin. Vakumu KAPATIN.
      NOT: Vakumu kapatmadan önce Argon akışının 0.1 sccm'ye ulaşmasını bekleyin.
    8. Odayı açmak için havalandırın. Havalandırmadan önce turbomoleküler pompanın (TMP) KAPALI olduğundan emin olun. TMP çalışırken havalandırma sisteme zarar verir.
    9. Hazneyi açın ve alt tabakaları yükleyin. Şekil 1'de gösterildiği gibi daha iyi biriktirme için alt tabakaları dönen numune tutucunun dış köşesine yerleştirin.
      DİKKAT: Küçük malzeme parçacıklarının solunmasını önlemek için haznenin içini tutarken maske ve eldiven giyin.
    10. Kapıyı Şekil 2'de gösterildiği gibi kapatın ve en az 6 saat vakumlayın. Daha düşük taban basıncı daha iyi biriktirme sağlar. Püskürtme işlemi gibi yüksek vakumlu bir sistem için optimum taban basıncı 1 x 10-5 Torr'dur.
  3. Fışkırtması
    1. Soğutucu sistemi AÇIN ve 15 °C'ye ayarlayın. Pompayı ve soğutma düğmesini AÇIN ve püskürtme cihazına bağlı vanayı açın.
    2. Dönüşü 10 rpm'ye ayarlayın ve dönüş geçiş anahtarını AÇIN. Argon akışını 4 sccm'ye ayarlayın ve gaz geçiş anahtarını AÇIN. Akış ayarlanan değere ulaşana kadar bekleyin.
    3. Otomatik eşleşen ağ denetleyicisini ve radyo frekansı güç kaynağını AÇMAK için Güç düğmesine basın.
    4. Otomatik eşleşen ağ denetleyicisinde, Min/Maks düğmesine basarak yükü ve ayarlamayı 50 W'a ayarlayın ve düğmeyi Manuel'den Otomatik'e itin.
    5. Radyo frekansı güç kaynağında, RF gücünü 50 W olarak ayarlayın ve Başlat düğmesine basın.
      NOT: RF gücünü açmadan önce Argon akışının ayarlanan değere ulaşmasını ve kararlı hale gelmesini bekleyin.
    6. Haznede plazma olup olmadığını kontrol edin. Plazma oluşumu, odadaki parlayan mor bir ışıkla gösterilir. RF gücü AÇIK konuma getirildiğinde plazma mevcut değilse, Argon'u 10 saniye KAPALI konuma getirin ve tekrar AÇIN. Haznede plazma oluşana kadar tekrarlayın.
    7. RF gücünü, 5 W'a ulaşana kadar 10 sn aralıklarla 75 W ile kademeli olarak artırın. Zamanlayıcıyı 60 dakikaya ayarlayın.
  4. Püskürtme sonrası
    1. RF gücünü ve dönüşünü KAPATIN. Otomatik eşleşen ağ denetleyicisini ve radyo frekansı güç kaynağını KAPATIN.
    2. Argon akışını 0'a ayarlayın ve gaz geçiş anahtarını KAPATIN. Vakumu KAPATIN.
      NOT: Vakumu kapatmadan önce Argon akışının 0.1 sccm'ye ulaşmasını bekleyin.
    3. Odayı açmak için havalandırın. Havalandırmadan önce TMP'nin KAPALI olduğundan emin olun. TMP çalışırken havalandırma sisteme zarar verir.
    4. Tüm numuneleri cımbız kullanarak çıkarın ve temiz bir Petri kabına koyun.
      DİKKAT: Küçük malzeme parçacıklarının solunmasını önlemek için haznenin içini tutarken maske ve eldiven giyin.
    5. Hazneyi vakum koşullarında (kirliliklerden arındırılmış) tutmak için hazneyi temizleyin ve 10 - 15 dakika vakumlayın.

figure-protocol-1
Şekil 2: Deney düzeneği. Bu çalışmada kullanılan püskürtme makinesinin fotoğrafı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

3. Karakterizasyon

  1. Alan Emisyon Taramalı Elektron Mikroskobu (FESEM, 3.0 kV çalışma gerilimi altında) kullanarak topografik ve kesitsel tarama yaparak püskürtülen filmlerin yüzey mikroyapısal detaylarını ve kalınlığını elde edin.
  2. FESEM'e bağlı enerji dağıtıcı X-ışını spektrumlarının (EDX) verilerini kullanarak filmlerin bileşimi üzerinde hesaplama yapın. Filmlerin taşıyıcı konsantrasyonunu ve iletkenliğini elde etmek için sırasıyla Sb2Te3 ve Bi2Te3 için 0,57 T'lik kalıcı bir manyetik alanda ve 0,8 mA ve 10 mA prob akımlarında Hall voltajını ölçün35.
  3. Isotta ve ark.5 tarafından kullanılan benzer bir aleti kullanarak Seebeck katsayısının düzlem içi ölçümünü gerçekleştirin. Kurulumda yaklaşık 2 cm x 1.25 cm dikdörtgen geometriye sahip numuneleri monte edin. 2 kontaklı konfigürasyonda mutlak Seebeck katsayısını ≈25 °C'lik bir sıcaklık gradyanı ile bir Pt standardına göre ölçün.

Sonuçlar

Çökeltilmiş Bi2Te3 ve Sb2Te3 ince filmlerin kesitsel mikrografları, sırasıyla Şekil 3A ve Şekil 3B'de gösterildiği gibi FESEM kullanılarak kaydedildi. Genel filmin yüzeyi düzgün ve pürüzsüz görünür. Bi2Te3 ince filmin kristal taneciklerinin altıgen olduğu, Bi2Te3'ün kristal yapısına uyduğu, Sb2Te3 ince filmin kristal taneciklerinin ise Amirghasemi ve ark.36 tarafından bildirilenlere benzer şekilde ince dairesel taneciklerden oluştuğu açıktır. Her iki numunenin enine kesit görüntüleri, substratın üzerinde büyüyen yoğun bir şekilde paketlenmiş parçacıkları ortaya koymaktadır. Filmler, Bi 2 Te3 veSb2Te3 ince filmler için sırasıyla yaklaşık 1.429 ± 0.01 μm ve 0.424 ± 0.01 μm üniform kalınlığa sahipti. Filmlerin bileşimi, Ek Dosya 1 ve Ek Dosya 2'deki EDX spektrumlarından hesaplandı ve değerler Tablo 1'de tablo halinde verilmiştir. Tahmini değerler, her iki ince filmin de stokiyometrik oranlara sahip olduğunu göstermektedir.

Çökelen ince filmlerin taşıyıcı konsantrasyonu ve iletkenliği ortam sıcaklığında belirlenirken, mutlak Seebeck katsayısı yaklaşık 50 °C sıcaklıkta ölçülmüştür. Bu sonuçlar Tablo 2'de sunulmuştur. Bi2Te3 ince film, filmin n-tipi olduğunu doğrulayan negatif mutlak Seebeck katsayısı ve taşıyıcı konsantrasyon değerlerini gösterir ve Sb2Te3 filmi, hem mutlak Seebeck katsayısı hem de taşıyıcı konsantrasyonu için p-tipi iletkenliğini doğrulayan pozitif değerler gösterir.

figure-results-1
Şekil 3: FESEM kesit görüntüleri. (A) Bi2Te3'ün film kalınlığı ile kesit görüntüsü. (B) Sb2Te3'ün film kalınlığı ile kesit görüntüsü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

HedefRF gücü, (W)Mutlak Seebeck katsayısı, S (μV/K)Taşıyıcı konsantrasyonu, Nb (cm-3)İletkenlik, σ (Ω/cm)
Bi2Te375-72.84-5,71 x 1020108.96
Sb2Te330238.831,44 x 10216.05

Tablo 1: EDX kompozisyon analizi. Tablo, EDX spektrumlarından elde edilen ağırlık yüzdesinden, her bir elementin hesaplanan atomik yüzdesinden, bileşim oranından, kalınlıktan ve hem Bi2Te3 hem de Sb2Te3 numunelerinin birikme hızından oluşur.

ÖrnekAğırlık Yüzdesi (%)Atom Yüzdesi (± %0,5)Atomik OranKalınlık (± 0,01 μm)Biriktirme Hızı (nm/dak)
Bi2Te3(BI) 51.0(Te) 42.8(Bi) 41.9(Te) 58.1[Bi]:[Te] 2:31.42923.8
Sb2Te3(Şu) 39.6(Te) 59.7(SB) 40.0(Te) 60.0[Sb]:[Te] 2:30.4247.0

Tablo 2: Mikrofabrikasyon ince filmlerin termoelektrik özellikleri. Tablo, hem Bi 2 Te3 hem deSb2Te3 numunelerinin hedef malzemeleri, kullanılan RF güçleri, mutlak Seebeck katsayıları, Hall katsayıları ve iletkenlik değerlerinden oluşmaktadır.

Ek Dosya 1: Her bir elemanın ağırlık yüzdesi ile Bi2Te3'ün düzlemsel FESEM ve EDX spektrumu. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Dosya 2: Her bir elemanın ağırlık yüzdesi ile Sb2Te3'ün düzlemsel FESEM ve EDX spektrumu. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Tartışma

Bu yazıda sunulan teknik, ekipmanın kurulmasında ve uygulanmasında önemli bir zorluk yaratmamaktadır. Bununla birlikte, birkaç kritik adımın vurgulanması gerekir. Protokolün 2.2.10 adımında belirtildiği gibi, vakum haznedeki artık oksijeni giderdiği için daha az kontaminasyona sahip yüksek kaliteli ince filmler üretmek için optimum vakum koşulu anahtardır37. Oksijenin varlığı, püskürtme işleminde yüksek vakum sisteminin önemini gösteren gerilme çatlaması adı verilen filmlerde çatlaklara neden olabilir38. Bu aynı zamanda, atomların39 hedeften substrata hareketinde artık gaz molekülü ile çarpışmaları azaltır ve oldukça düzgün ince filmler üretir. Bunun dışında, protokoldeki 2.2.2 adımı, soğutma sisteminden gelen su ile ısı transferi yoluyla ısıyı dağıtarak sürekli püskürtmeyi sağlamak için önemlidir. Bu yöntem, sonuçta hedef ısıtma olarak ortaya çıkan yüksek voltaj ve elektrik akımı kullanır. Zayıf ısı dağılımı, Curie sıcaklığının ötesinde aşırı ısınmaya neden olabilir ve bu da tüm püskürtme işleminin40 başarısız olmasına neden olabilir. Bunun da ötesinde, püskürtme sırasında RF gücünün, zamanlayıcıyı başlatmadan önce istenen güce ulaşana kadar 5 saniyede bir 10 W kademeli olarak artırılması önerilir. Bu adım, çok kısa bir süre içinde çok fazla güç sağlandığında termal şok nedeniyle hedefte çatlakları önlemek için önemlidir41.

Püskürtme, esas olarak püskürtme gücü, biriktirme süresi, çalışma basıncı, alt tabaka sıcaklığı ve hedef - alt tabaka mesafesi42,43,44,45 dahil olmak üzere parametresinden etkilenir. Püskürtme gücü, filmin biriktirme hızını ve kalınlığını etkiler. Artan voltaj, daha fazla biriktirme hızına neden olur, sonuç olarak filminkalınlığını arttırır 44. Sahu ve ark.46 tarafından yapılan çalışma, Zr hedefine uygulanan farklı DC gücü ile Ni ve Zr'nin birlikte püskürtme işleminden kaynaklanan biriktirme hızındaki değişimi göstermektedir. Sonuçlar, Zr için DC güç kaynağı arttıkça Ni-Zr filmlerinin biriktirme hızının arttığını göstermektedir. Daha sonraki çalışmaları47, negatif substrat önyargı voltajının biriktirme hızı üzerindeki etkisini araştırdı. Sonuç, alt tabaka öngerilim voltajındaki bir artışla biriktirme hızının kademeli olarak azaldığını göstermektedir. Bu fenomen, 75 W ile püskürtülen Bi2Te3'ün, aynı biriktirme süresinde çok daha düşük RF gücüyle püskürtülen Sb2Te3'ten daha kalın filmler ürettiği bu çalışmanın sonuçlarında da görülebilir. Bununla birlikte, her iki film de RF gücünün her bir hedefin eşik voltajını aştığını ve istenen kalınlığa bağlı olarak diğer çalışmalarda kullanılabileceğini gösteren başarıyla yerleştirildi.

Protokole göre, bu yöntem hedef malzemenin eritilmesini ve buharlaşmasını gerektirmez. Bu, erime sıcaklıklarından bağımsız olarak neredeyse tüm malzemelerin biriktirilebilmesine yol açar ve bu da onu diğer PVD teknolojilerinden üstün kılar. Bu çalışmada kullanılan RF püskürtme, kararlılık açısından DC püskürtmeden daha avantajlıdır. Yaqub ve ark.48 tarafından yapılan çalışma, hedefin yüzeyindeki yük birikiminin, DC püskürtme işlemini engelleyen plazma kararsızlıklarına neden olduğunu göstermektedir. Buna karşılık, RF püskürtme plazması, biriktirme sırasında daha iyi stabilite sağlayarak hedef malzemenin etrafında yoğunlaşmak yerine oda boyunca etkisiz hale gelme eğilimindedir. Bunun dışında, RF püskürtme, hedef yüzeydeki arkı azaltan şarj oluşumunu önler ve sonuç olarak DC püskürtmeden daha iyi filmler sağlar49.

Çeşitli çekici avantajlara sahip olmasına rağmen, RF püskürtme, daha düşük biriktirme hızlarına sahip DC püskürtmeye kıyasla önemli ölçüde daha yüksek voltaj gerektirir48. Ayrıca, protokolde adım 2.2.2'de belirtildiği gibi gelişmiş devre ve ek soğutma sistemi gerektiren yüksek voltaj nedeniyle aşırı ısınma riskine maruz kalır. Bunun dışında, RF püskürtme, alternatif akım tarafından çok daha düşük basınçta sürekli plazma püskürtülür, ancak ikincil hedefin olmaması daha yavaş biriktirme hızına neden olur. Bu sorun, püskürtülen türlerin iyonlaşma fraksiyonunu artırmak için hedef ile substrat arasına ikincil deşarj eklenerek hafifletilebilir24. Yine de, tüm bu faktörler, RF püskürtmenin yalnızca daha küçük ölçekte ve alt tabakalarda kullanılmasına yol açan daha yüksek maliyete katkıda bulunur.

Magnetron püskürtme, entegre devre üretimi için yüksek düzeyde yalıtkan oksit filmler (bariyer tabakası), iletken tabaka ve metal ızgara oluşturmanın önemli olduğu yarı iletken endüstrisinin çekirdeğidir. Enerji dönüşümü50 gibi enerji ile ilgili uygulamalara yönelik, sunulan tekniğin sadece termoelektrik malzemeler için değil, aynı zamanda ince film sensörleri ve fotovoltaik ince filmler için de uygulanmasını genişleten çeşitli geliştirmeler yapılmıştır. Son zamanlarda, Lenis ve ark.51 , cerrahi protezlerde yaygın olarak kullanılan HA-Ag/TiN-Ti'nin biyouyumlu ve antibakteriyel kaplamasını çökelterek bu tekniğin biyomedikal alandaki potansiyelini araştırmışlardır. Wang ve ark.52 tarafından yapılan çalışma, bu tekniğin akıllı pencereler alanında önemli bir potansiyel uygulamaya sahip olan nanoyapı tungsten trioksit ince filmlerin biriktirilmesinde uygulanmasını da göstermektedir. Sonuç olarak, bu yöntem, ince film biriktirme ve daha fazla geliştirme potansiyeli olan geniş uygulama yelpazesi için sağlam bir platformu temsil eder.

Açıklamalar

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.

Teşekkürler

Yazarlar, bu araştırmayı yürütmek için Universiti Kebangsaan Malaysia araştırma hibesi: UKM-GGPM-2022-069'un mali desteğini kabul eder.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
AsetonÇemiz (M) Sdn. Bhd.1910151Sıvı, Yanıcı
Antimon Telluride, Sb2Te3Çin Nadir Metal Malzeme Co, LtdC120222-0304Çap 50.8 mm, Kalınlık 6.35 mm,% 99.999 saflık
Bizmut Telluride, Bi2Te3Çin Nadir Metal Malzeme Co, LtdCB151208-0501Çap 50.8 mm, Kalınlık 4.25 mm,% 99.999 saflık
EtanolChemiz (M) Sdn. Bhd.2007081Sıvı, Yanıcı
Alan Emisyonu Taramalı Elektron MikroskobuZeissMERLINEDX
Hall etkisi ölçüm sistemiile donatılmıştır Aseptec Sdn. Bhd.HMS ECOPIA 3000-El
Tipi Dijital MultimetreProkits Industries Sdn. Bhd.303-150NCS-HMS-3000
Aseptec Sdn Bhd.HMS ECOPIA 3000Hall etkisi ölçüm yazılımı
Linseis_TALinseis Messgerä te GmbHLSR-3Linseis termal analiz yazılımı
MethanolChemiz (M) Sdn. Bhd.2104071Sıvı, Yanıcı
RF-DC magnetron püskürtmeKurt J. LeskerCompany-Özelleştirilmişhibrit sistem
Seebeck katsayısı ölçüm sistemiLinseis Messgerä te GmbHLSR-3-SmartTiff
Carl Zeiss MicroscopyLtd-SEMgörüntü kalınlığı ölçüm yazılımı
Ultrasonik banyoFisherbrandFB15055-UV
ozon temizleyiciOssila LtdL2002A3-İngiltere-

Kaynaklar

  1. Ochieng, A. O., Megahed, T. F., Ookawara, S., Hassan, H. Comprehensive review in waste heat recovery in different thermal energy-consuming processes using thermoelectric generators for electrical power generation. Proc Safety Environ Prot. 162, 134-154 (2022).
  2. Shilpa, M. K., et al. A systematic review of thermoelectric Peltier devices: Applications and limitations. Fluid Dyn Mater Proc. 19 (1), 187-206 (2022).
  3. Jiang, W., Huang, Y. Thermoelectric technologies for harvesting energy from pavements. Eco-efficient Pavement Construction Materials. , (2020).
  4. Witting, I. T., et al. The thermoelectric properties of Bismuth telluride. Adv Elect Mater. 5 (6), 1-20 (2019).
  5. Isotta, E., et al. Towards low cost and sustainable thin film thermoelectric devices based on quaternary chalcogenides. Adv Funct Mater. 32 (32), 2202157(2022).
  6. Yonezawa, S., Tabuchi, T., Takashiri, M. Atomic composition changes in bismuth telluride thin films by thermal annealing and estimation of their thermoelectric properties using experimental analyses and first-principles calculations. J Alloys Comp. 841, 155697(2020).
  7. Fan, P., et al. High-performance bismuth telluride thermoelectric thin films fabricated by using the two-step single-source thermal evaporation. J Alloys Comp. 819, 153027(2020).
  8. Amin, A., et al. Screen-printed bismuth telluride nanostructured composites for flexible thermoelectric applications. JPhys Energy. 4 (2), 024003(2022).
  9. Witting, I. T., Ricci, F., Chasapis, T. C., Hautier, G., Snyder, G. J. The thermoelectric properties of n-type Bismuth telluride: Bismuth selenide alloys Bi2Te3−xSex. Research. 2020, 4361703(2020).
  10. Shi, X. L., Zou, J., Chen, Z. G. Advanced thermoelectric design: From materials and structures to devices. Chem Rev. 120 (15), 7399(2020).
  11. Ferrando-Villalba, P., et al. Measuring device and material ZT in a thin-film Si-based thermoelectric microgenerator. Nanomaterials. 9 (4), 653(2019).
  12. Karthikeyan, V., et al. Wearable and flexible thin film thermoelectric module for multi-scale energy harvesting. J Power Sources. 455, 227983(2020).
  13. Guo, X., He, Y. Mathematical modeling and optimization of platform service supply chains: A literature review. Mathematics. 10 (22), 4307(2022).
  14. Syafiq, U., et al. Facile and low-cost fabrication of Cu/Zn/Sn-based ternary and quaternary chalcogenides thermoelectric generators. ACS Appl Ener Mater. 5 (5), 5909-5918 (2022).
  15. Newbrook, D. W., et al. Improved thermoelectric performance of Bi2Se3 alloyed Bi2Te3 thin films via low pressure chemical vapour deposition. J Alloys Comp. 848, 156523(2020).
  16. Lim, S. S., et al. Carrier modulation in Bi2Te3-based alloys via interfacial doping with atomic layer deposition. Coatings. 10 (6), 1-8 (2020).
  17. Chen, X., Baumgart, H. Advances in atomic layer deposition (ALD) nanolaminate synthesis of thermoelectric films in porous templates for improved seebeck coefficient. Materials. 13 (6), 1-20 (2020).
  18. Darwish, A. M., et al. Thermoelectric properties of Al-doped ZnO composite films with polymer nanoparticles prepared by pulsed laser deposition. Composites Part B: Engineering. 167, 406-410 (2019).
  19. Symeou, E., Nicolaou, C., Kyratsi, T., Giapintzakis, J. Enhanced thermoelectric properties in vacuum-annealed Bi0.5Sb1.5Te3 thin films fabricated using pulsed laser deposition. J Appl Phys. 125 (21), 0-9 (2019).
  20. Wudil, Y. S., Gondal, M. A., Rao, S. G., Kunwar, S., Alsayoud, A. Q. Substrate temperature-dependent thermoelectric figure of merit of nanocrystalline Bi2Te3 and Bi2Te2.7Se0.3 prepared using pulsed laser deposition supported by DFT study. Ceramics Int. 46 (15), 24162-24172 (2020).
  21. Sousa, V., et al. High Seebeck coefficient from screen-printed colloidal PbSe nanocrystals thin film. Materials. 15 (24), 8805(2022).
  22. Rao, D., et al. High mobility and high thermoelectric power factor in epitaxial ScN thin films deposited with plasma-assisted molecular beam epitaxy. Appl Phys Lett. 116 (15), 152103(2020).
  23. Hu, B., et al. Advances in flexible thermoelectric materials and devices fabricated by magnetron sputtering. Small Sci. , 2300061(2023).
  24. Gudmundsson, J. T. Physics and technology of magnetron sputtering discharges. Plasma Sources Science and Technology. 29 (11), 113001(2020).
  25. Tani, J. I., Ishikawa, H. Thermoelectric properties of Mg2Sn thin films fabricated using radio frequency magnetron sputtering. Thin Solid Films. 692, 137601(2019).
  26. Gudmundsson, J. T., Lundin, D. Introduction to magnetron sputtering. High Power Impulse Magnetron Sputtering. , 1-48 (2019).
  27. Hossain, E. S., et al. Fabrication of Cu2SnS3 thin film solar cells by sulphurization of sequentially sputtered Sn/CuSn metallic stacked precursors. Solar Energy. 177, 262-273 (2019).
  28. Maurya, D. K., Sardarinejad, A., Alameh, K. Recent developments in R.F. magnetron sputtered thin films for pH sensing applications-an overview. Coatings. 4 (4), 756-771 (2014).
  29. Ahmad, F., et al. Effect of doping and annealing on thermoelectric properties of Bismuth telluride thin films. J Electron Mater. 49 (7), 4195-4202 (2020).
  30. Zhou, Y., Li, L., Tan, Q., Li, J. F. Thermoelectric properties of Pb-doped bismuth telluride thin films deposited by magnetron sputtering. J Alloys Comp. 590, 362-367 (2014).
  31. Takayama, K., Takashiri, M. Multi-layered-stack thermoelectric generators using p-type Sb2Te3 and n-type Bi2Te3 thin films by radio-frequency magnetron sputtering. Vacuum. 144, 164-171 (2017).
  32. Zheng, Z. H., et al. Harvesting waste heat with flexible Bi2Te3 thermoelectric thin film. Nat Sustain. 6 (2), 180-191 (2023).
  33. Zhang, J., et al. Effects of Si Substrates with Variable Initial Orientations on the Growth and Thermoelectric Properties of Bi-Sb-Te Thin Films. Nanomaterials. 13 (2), 257(2023).
  34. Chen, Y. X., et al. Realizing high thermoelectric performance in n-type Bi2Te3 based thin films via post-selenization diffusion. J Mater. 9 (4), 618-625 (2023).
  35. Zakaria, Z., et al. Effects of sulfurization temperature on Cu2ZnSnS4 thin film deposited by single source thermal evaporation method. Jpn J Appl Phys. 54, (2015).
  36. Amirghasemi, F., Kassegne, S. Effects of RF magnetron sputtering deposition power on crystallinity and thermoelectric properties of Antimony telluride and Bismuth telluride thin films on flexible substrates. J Electron Mater. 50 (4), 2190-2198 (2021).
  37. Baptista, A., et al. On the physical vapour deposition (PVD): Evolution of magnetron sputtering processes for industrial applications. Procedia Manu. 17, 746-757 (2018).
  38. Heu, R., Shahbazmohamadi, S., Yorston, J., Capeder, P. Target material selection for sputter coating of SEM samples. Microscopy Today. 27 (4), 32-36 (2019).
  39. Marquardt, N. Introduction to the principles of vacuum physics. , 1-24 (1999).
  40. Ayachi Omar, A., Kashapov, N. F., Luchkin, A. G., Ayachi Amor, A., Ayachi Amar, A. Effect of cooling system design on the heat dissipation of the magnetron sensitive components with rectangular target during sputtering by Ar+. Results in Engineering. 16, 100696(2022).
  41. Sharma, R., Sharma, S. Why sputtering target cracks. Zenodo. , (2020).
  42. Huang, P. C., et al. The effect of sputtering parameters on the film properties of molybdenum back contact for CIGS solar cells. Int J Photoener. 2013, 390824(2013).
  43. Yin, Z., et al. Effect of sputtering process parameters on the uniformity of copper film deposited in micro-via. J Mater Res Technol. 25, 5249-5259 (2023).
  44. Ejaz, H., Hussain, S., Zahra, M., Saharan, Q. M., Ashiq, S. Several sputtering parameters affecting thin film deposition. J Appl Chem Sci Int. 13 (3), 41-49 (2022).
  45. Mandal, P., Singh, U. P., Roy, S. A review on the effects of PVD RF sputtering parameters on rare earth oxide thin films and their applications. IOP Conf. Ser: Mater Sci Eng. 1166 (1), 012022(2021).
  46. Sahu, B. P., Sarangi, C. K., Mitra, R. Effect of Zr content on structure property relations of Ni-Zr alloy thin films with mixed nanocrystalline and amorphous structure. Thin Solid Films. 660, 31-45 (2018).
  47. Sahu, B. P., Dutta, A., Mitra, R. Influence of substrate bias voltage on structure and properties of DC magnetron sputtered Ni-Zr alloy thin films. J Mater Res. 35 (12), 1543-1555 (2020).
  48. Yaqub, T. B., Vuchkov, T., Sanguino, P., Polcar, T., Cavaleiro, A. Comparative study of DC and RF sputtered MoSe2 coatings containing carbon-An approach to optimize stoichiometry, microstructure,crystallinity and hardness. Coatings. 10 (2), 133(2020).
  49. Kim, J., et al. Effect of IGZO thin films fabricated by Pulsed-DC and RF sputtering on TFT characteristics. Mater Sci Semicond Proc. 120, 105264(2020).
  50. Panepinto, A., Snyders, R. Recent advances in the development of nano-sculpted films by magnetron sputtering for energy-related applications. Nanomaterials. 10 (10), 1-27 (2020).
  51. Lenis, J. A., Bejarano, G., Rico, P., Ribelles, J. L. G., Bolívar, F. J. Development of multilayer Hydroxyapatite - Ag/TiN-Ti coatings deposited by radio frequency magnetron sputtering with potential application in the biomedical field. Surf Coat Tech. 377, 124856(2019).
  52. Wang, M., Chen, Y., Gao, B., Lei, H. Electrochromic properties of nanostructured WO3 thin films deposited by glancing-angle magnetron sputtering. Adv Electron Mater. 5 (5), 1-7 (2019).

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Bi2Te3 nce FilmlerSb2Te3 nce FilmlerRadyo Frekans S ratmance Film BiriktirmeArgon Gaz S ratmaVakum BiriktirmeAltl k Haz rlamaAt k Is Geri Kazan m
Radyo Frekanslı Magnetron Püskürtme Tekniği ile Bi2Te3 ve Sb2Te3 Termoelektrik İnce Filmlerin İmalatı
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.