อิทธิพลของอุณหภูมิที่อบต่อสมบัติทางเทอร์โมอิเล็กทริกของฟิล์มบางบิสมัสเทลลูไรด์ แบบบิดงอได้เตรียมโดยวิธีอาร์เอฟแมกนีตรอนสปัตเตอริง: Effect of Annealing Temperature on Thermoelectric Properties of Flexible Bi2Te3 Thin Film Prepared by RF Magnetron Sputtering

Kamolmad Singkaselit; Aparporn Sakulkalavek; Rachsak Sakdanuphab

Authors

Kamolmad Singkaselit Department of Physics, Faculty of Science, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, Ladkrabang, Bangkok 10520
Aparporn Sakulkalavek College of Data Storage Innovation, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, Ladkrabang, Bangkok 10520
Rachsak Sakdanuphab

Keywords:

บิสมัสเทลลูไรด์, โพลีอิมมิด, เทอร์โมอิเล็กทริก, อาร์เอฟแมกนีตรอนสปัตเตอริง, Bismuth telluride, Polyimide, Thermoelectric, RF magnetron sputtering

Abstract

งานวิจัยนี้ได้เตรียมฟิล์มบางบิสมัสเทลลูไรด์ (Bi₂Te₃) เคลือบลงบนวัตถุรองรับโพลีอิมมิด โดยใช้เทคนิคอาร์เอฟแมกนีตรอนสปัตเตอริง (RF magnetron sputtering) สมบัติเชิงโครงสร้างและสมบัติทางเทอร์โมอิเล็กทริกของฟิล์มถูกนำมาศึกษาภายใต้อุณหภูมิที่ใช้ในการอบ โดยนำฟิล์มบางบิสมัสเทลลูไรด์ที่ได้ไปอบที่อุณหภูมิแตกต่างกันตั้งแต่อุณหภูมิ 300, 350 และ 400 ºC ภายใต้ความดันบรรยากาศของก๊าซไนโตรเจนเป็นเวลา 1 ชั่วโมง โครงสร้างผลึกและโครงสร้างระดับจุลภาคของฟิล์มถูกนำมาวิเคราะห์ด้วยใช้เครื่องทดสอบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดความละเอียดสูง (FESEM) ตามลำดับ ค่าสัมประสิทธิ์ซีเบคและค่าสภาพนำไฟฟ้าของฟิล์มถูกวัดตั้งแต่อุณหภูมิห้องถึง 150 ºC ด้วยเครื่องวัดค่าสัมประสิทธิ์ซีเบคและ ค่าสภาพนำไฟฟ้า (ZEM3) ผลการศึกษาพบว่าค่าสัมประสิทธิ์ซีเบคและค่าสภาพนำไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิการอบเพิ่มขึ้น โดยการอบที่ 400 ºC จะมีค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์สูงสุดคือ 1.41 x 10^-3 W/m K² วัดที่อุณหภูมิ 150 ºC

Bismuth telluride (Bi₂Te₃) thermoelectric thin films were deposited on polyimide substrate by RF magnetron sputtering technique. The structural and thermoelectric properties of the films were investigated under the annealing temperatures. As-deposited films were annealed in the vacuum chamber with the N₂ flow gases at three different temperatures of 300, 350, and 400 °C for 1 hour. The crystal structures and microscopy of the films were characterized by X-ray diffraction (XRD) and Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM), respectively. Seebeck coefficient and electrical conductivity of the films were simultaneously measured at room temperature and up to 150 °C by dc four-terminal method (ZEM3). It was found that the Seebeck coefficient and electrical conductivity increased with increasing temperature. The film annealed at 400 °C has a maximum PF value of 1.41 x 10^-3 W/m.K² at the applied temperature of 150 °C.

References

Alexander, B. (2000). Thermal Properties of Semiconductor Low-dimensional Structures. Phys. Low-Dim. Structures, 1/2, 1-43.

Ar Sputter Yields. (2005). Retrieved from http://www.npl.co.uk/upload/pdf/arsputtergroups45.pdf

Bismuth. (2015) Retrieved from https://en. wikipedia.org/wiki/Bismuth

Bismuth telluride. (2015) Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Bismuth_telluride

Goncalves, L. M., Rocha, J. G., Couto, C., Alpuim, P., Gao Min, Rowe, D. M., & Correia, J. H. (2007). Fabrication of flexible thermoelectric microcoolers using planar thin-film technologies. Journal of micromechanics and microengineering, 17, 168-173.

Heremans, J. P. (2005). Low-dimensional Thermoelectricity. Acta physica polonica a, 180, 609-632.

Huang, H., & Wei-ling, L. (2009). Influence of annealing on thermoelectric properties of bismuth telluride films grown via radio frequency magnetron sputtering. Thin Solid Films, 517, 3731-3734.

Isaac, L. (2014). Retrieved from http://www. electronicsnews.com.au/news/researchers-improve-thin-film-energy-harvester-eff

Julian Goldsmid, H. (2014). Bismuth Telluride and Its Alloys as Materials for Thermoelectric Generation. Materials, 7, 2577-2592.

Kumpeerapun, T. (2009). Thermoelectric. Retrieved from http://webstaff.kmutt.ac.th/~ivorthip/TE

Riffat, S. B., & Xiaoli, M. (2003). Thermoelectric: A review of present and potential applications. Applied thermal Engineering, 23, 913-935.

Rowe, D. M. (1999). Thermoelectrics, an environmentally-friendly source of electrical power. Renewable Energy, 16, 1251-1256.

Summary of Properties for Kapton Polyimide Films. (2012). Retrieved from http://www.dupont.com /content /dam/dupont/products-and-services/membranes-and-films/polyimde-films/documents/DEC-Kapton-summary-of-properties.pdf

Terry, M. (2001). Recent Trends in Thermoelectric Materials Research II. USA: San Diego.

Xing, W., Hngcai, H., Ning, W., & Lei, M. (2013). Effects of annealing temperature on thermoelectric properties of Bi2Te3 films prepared by co-sputtering. Journal of applied surface science, 276, 539-542.

Xinfeng, T., Xenjie, X., Han, L., Wenyu, Z., & Qingjie, Z. (2007). Preparation and thermoelectric transport properties of high-performance p-type Bi2Te3 with layered nanostructure. Journal of applied physics letters, 90, 012102.

Yuan, D., Hui-min, L., Yao, W., Zhi-wei, Z., Ming, T., & Jiao-lin, C. (2011). Growth and transport properties of oriented bismuth telluride films. Journal of alloys and compounds, 509, 5683-5687.