碲化铋纳米结构薄膜的性质用热蒸发

文摘

碲化铋在室温下具有较高的热电性能;在当前的工作,各种碲化铋纳米结构薄膜制作在硅基板在室温下用热蒸发方法。(Te)和铋碲(Bi)沉积在硅衬底厚度的不同比例。这些电影在退火50°C和100°C。热处理后薄膜的半导体性质。样品研究了x射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)来显示颗粒增长。

1。介绍

碲化铋(Bi₂Te₃)是一个间接的大部分能量带隙的半导体0.165 eV。它是分层的半导体材料与高熔点三角结构(585°C)和密度为7.7克/厘米³;它也是最稳定的二元化合物(1]。这些有趣的性质引起了研究人员的注意,它的广泛应用领域的热电材料(2]。近几十年以来,努力在进步提高这些材料的特性使用不同的方法和富有成果的方法之一是合成的纳米级(3]。直到今天,许多方法已经准备讨论纳米结构等各种大小和形状的碲化铋微波辅助法、机械合金化、球磨、热压、火花等离子烧结,湿化学法(4]。

这是一个有吸引力的热电材料具有最高品质因数()在室温下的大部分。纳米结构分层Bi的超晶格结构₂Te₃生产设备有很好的导电性,但内垂直于导热性很差。碲化铋化合物通常是获得定向凝固与熔化或粉末冶金流程(5]。材料生产与这些方法效率较低比单一晶体由于晶粒随机取向,但其力学性能优越,对结构性缺陷和杂质由于高最佳载体浓度较低。所需的载体浓度是通过选择一个非化学计量组成,这是通过引入过剩或碲铋原子主要杂质或掺杂剂融化。一些可能的掺杂物是卤素原子和组IV和V。由于小带隙(0.16 eV), Bi₂Te₃部分退化和相应的费米能级应该靠近导带在室温下最低。带隙的大小意味着Bi₂Te₃具有较高的内在载体浓度。Bi₂Te₃是一条狭窄的带隙半导体2]。

在本文中,我们合成了化合物薄膜沉积的基本层和热退火。典型的测量不同的样本有不同的电阻率测量的厚度显示类似的行为。然而,相应的数据提出了500纳米的厚度。

2。实验的细节

碲(Te)从Koch-Light实验室有限公司购买庆贺,伯克郡,英格兰。铋(Bi)从Sigma-Aldrich实验室购买。Te和Bi的薄膜沉积在正确使用热蒸发方法清洗硅衬底(n型)厘米²维度。最初,丙酮清洁钨船和室。碲(Te)和铋(Bi)钨粉有99.99%纯度被放置在不同的船只和启动抽油机创建高真空室,分别。在达到高真空(10⁻⁵托)室,Te和Bi间接加热通过当前慢慢电极。Bi然后Te 1: 1的比例总厚度(200 nm、500 nm、750 nm和1000 nm)沉积在硅衬底。我们预期存在的原子数目的混合将互惠质量数的比率(为碲铋(208)和(127))合成Bi₂Te₃阶段(不改变在石英晶体密度参数监控)。Bi和Te层的衬底厚度控制使用石英晶体监视器(“后Hivac”数字厚度监控模型,dtm - 101)。

薄膜的表面形态进行分析450年新星NanoSEM扫描电子显微镜(SEM)。结构特征是使用PANalytical X 'Pert专业制造X射线衍射(XRD)单元和电性质研究了四探针es - 246设置由ω。每个样本研究了x射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)获得全面和一致的微观结构信息(6]。

3所示。结果与讨论

3.1。电气性能

我们发现没有退火的薄膜显示了典型金属性质和显示高进行没有任何连接的效果。这也可以看到在图1。的V- - - - - -我曲线显示典型的线性行为不同厚度的薄膜(200 nm、500 nm、750 nm和1000 nm)在室温下。

这表明退火后部分扩散到铋碲和混合会有接口,使复合薄膜。这也可以看到的V- - - - - -我曲线在图2500纳米厚度的退火在100°C显示典型的非线性曲线由于颗粒均匀薄膜的表面。结形成的界面和碲铋。薄膜表明热处理后薄膜的半导体性质和因此电导率下降和带隙增加。

3.2。薄膜的结构特性

薄膜的结构特性已经被记录特征x射线衍射模式的薄膜有或没有退火(7]。图3显示500纳米薄膜的x射线衍射模式。这表明,x射线衍射峰对应的特征和碲铋曾被观察到在特定2θ角对应的斜方晶系的薄膜(8]。

在这个工作中,它已被证明为Bi和Te是沉积在硅衬底,所有山峰的Si和Bi所示XRD和没有Te的峰值是由于非结晶的Te的行为。退火后,Te很容易与Bi和合并显示了Bi的高峰₂Te₃,随着退火温度的增加。可见这些山峰标准XRD Pro软件。退火后没有额外的峰观察表明,混合由于退火相比,并不影响任何结构性as-deposited Bi₂Te₃薄膜。个别峰值的强度被发现后增加退火后,可能是由于这样的事实:退火Bi₂Te₃薄膜被安排更多的水晶订单由于热处理9]。

3.2.1之上。扫描电镜分析

退火的形态学特性的影响薄膜已经被记录的扫描电镜图像特征薄膜有或没有退火对不同放大倍数增加从10 1嗯嗯。这些薄膜明显表明,碲和铋在Si衬底生长在球形颗粒形状和大颗粒簇出现随着放大倍数的增加(10]。

退火的效果如图4没有退火,这清楚地表明,薄膜在退火后表面形态但流畅之间有微小的差距出现的颗粒可能是由于扩散的碲铋也证实了退火后沉积材料的混合和支持我们的电气研究。

4所示。结论

这是观察到的薄膜和碲铋硅衬底上沉积没有任何热处理V- - - - - -我曲线显示了典型的线性行为没有任何结在室温下不同厚度的影响。结构属性进行x射线衍射和扫描电子显微镜(SEM)检查薄膜的结晶度和粒度。没有退火,薄膜是平滑的表面形态,它显示了典型金属性质和显示线性进行的行为。后热处理(退火)50°C和100°C,它是观察到的V- - - - - -我曲线显示典型的非线性曲线由于颗粒均匀薄膜的表面。晶粒生长形成的界面和碲铋。退火后薄膜表明之间有微小的差距出现的颗粒可能是由于扩散的碲铋也证实了他们的混合退火后薄膜获得半导体性质和非线性行为。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

引用

1. h . j . Goldsmid介绍了热电第一章,施普林格,柏林,德国,2010年。
2. r . Setnescu Bancuta, t . Setnescu诉Cimpoca Jipa,即诉Popescu,“热特性的半导体Bi2Te3材料使用DSC,”科学与艺术》杂志上,1卷,不。12日,第102 - 95页,2010年。视图:谷歌学术搜索
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