Präparation thermoelektrischer Verbindungshalbleiterschichten und Untersuchung der Eigenschaften in Korrelation zu den Wachstumsbedingungen

Abstract

Thermoelektrische Generatoren in Dünnschichttechnik bieten die Möglichkeit durch miniaturisierte Bauweise viele Thermoelemente auf engem Raum anzuordnen und somit eine Thermospannung in der Größenordnung gebräuchlicher Niederspannungsanwendungen zu erzeugen. Die für den Raumtemperaturbereich geeignetsten thermoelektrischen Materialien sind Bismutantimontelluride (höchste thermoelektrische Effektivität Z=S2σ/κ, S-Seebeckkoeffizient, σ - spez. elektr. Leitfähigkeit, κ - spez. Wärmeleitfähigkeit). Die thermoelektrischen Eigenschaften polykristalliner (Bi1-xSbx)2Te3-Schichten sollten durch Veränderung der Wachstumsparameter optimiert werden. Ziel war es, den Eigenschaften des Einkristallmaterials möglichst nahezukommen. Schichten mit Zusammensetzungen x=0; 0,25; 0,5; 0,75; 0,85 wurden auf Polyimidfolien (Kapton®) mittels DC-Magnetronsputtern abgeschieden. Die Substrattemperaturen TS lagen zwischen ca. 200°C und ca. 320°C. Die Temperaturen einer "hot-wall"-Umgebung wurden zwischen 150°C und 390°C variiert. Um stark unstöchiometrische Schichtzusammensetzungen zu vermeiden, wurde anfänglich eine zusätzliche Tellurquelle (zusätzlicher Tellurpartikelfluss) genutzt. Analysen der chemischen Zusammensetzung mit ESMA (WDX) zeigten kaum Abhängigkeiten zwischen den Flussverhältnissen Te:(Bi,Sb) und der Tellurkonzentration der Schichten im Bereich 220°CS Schichten der antimonreicheren Zusammensetzung x=0,85 weisen günstigere thermoelektrische Eigenschaften (größerer power factor S2σ) auf als Schichten der Zusammensetzung x=0,75 (Zusammensetzung des einkristallinen Materials mit der größten thermoelektrischen Effektivität Z). Mit einer experimentell gestützten Hypothese über die Beweglichkeitszunahme der Ladungsträger bei entsprechender Tellurkonzentration in den Schichten kann der größere power factor für antimonreichere Schichten mittels des Fehlordnungsmodells (Ladungsträgerherkunft) zumindest qualitativ erklärt werden.

Thin film thermoelctric generators provide the possibility to arrange many thermoelements on little space due to miniaturization. Thus Seebeck-Voltages in a order of magnitude for usual low voltage applications can be achieved. Best suited thermoelectric materials at room temperature are bismuth-antimony-tellurides (highest thermoelectric effectivity Z=S2σ/κ, S-Seebeck-coefficient, σ - spec. electr. conductivity, κ - spec. heat conductivity). The thermoelectric properties of polycrystalline (Bi1-xSbx)2Te3-films should be optimised by varying growing conditions. The aim was to come closer to the single crystal properties as much as possible. Films with compositions x=0, 0.25, 0.5, 0.75, 0.85 were deposited on polyimid foils (Kapton ®) by means of dc-magnetron sputtering. Substrate temperatures TS from about 200°C up to about 320°C had been used. The temperatures of a "hot wall" environment varied from 150°C to 390°C. To avoid highly non-stoechiometric compositions of the films an additional tellurium source (additional flux of Te-particles) was used. Analysis of chemical composition with EBMA (WDX) showed nearly independent concentrations of tellurium on Te:(Bi,Sb) flux ratio and substrate temperature 220°CS Transport properties of importance for thermoelectricity are decisive influenced on Bi:Sb-ratio, substrate temperature, temperature of "hot-wall"-environment and a following annealing. Antimony richer films with x=0,85 have favourable thermoelectric properties (greater power factor S2σ) than films with x=0,75 (composition of the material with highest thermoelectric effectivity Z). The higher power factor in antimony richer films can be explained, at least qualitatively, with an experimental underpinned hypothesis about increase of carrier mobility at distinct tellurium contents in the films and the model of disorder (origin of carriers).