Изготовление наноразмерных плёнок на основе скуттерудита CoSb$_{3}$ для термоэлектрических приборов
Ю. Н. Макогон, С. И. Сидоренко, Р. А. Шкарбань
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», просп. Победы, 37, 03056 Киев, Украина
Получена: 07.11.2017; окончательный вариант - 12.03.2018. Скачать: PDF
Работа посвящена установлению закономерностей термостимулирован-ного формирования фазового состава и структуры плёнок на основе скуттерудита CoSb$_{3}$, осаждённых методом вакуумной конденсации, а также влияния фактора наноразмерности на их термоэлектрические свойства. Изучено влияние температуры подложки и физико-технологических параметров (температура, продолжительность, среда) термической обработки на фазовый состав, структуру, уровень механических напряжений и термоэлектрические свойства плёнок CoSb$_{x}$ толщиной 30 нм (1,8 $\leq$ $x$ $\leq$ 4,2; 65–81 ат.% Sb). Определено, что изменение температуры подложки при осаждении наноразмерных плёнок Co–Sb в концентрационном интервале 65–81 ат.% Sb позволяет регулировать структурное состояние. При осаждении на подложки при комнатной температуре формируется рентгеноаморфное состояние с расширенной областью существования фазы CoSb$_{3}$ 75–80 ат.% Sb после кристаллизации при дальнейшем нагреве. При увеличении температуры подложки до 200°C образуется кристаллическое состояние, и закономерности формирования фазового состава в плёнках Co–Sb характеризуются последовательностью, которая аналогична диаграмме фазового равновесия состояний для массивной системы Co–Sb с образованием фазы CoSb$_{3}$ при $\approx$ 75 ат.% Sb. Установлено, что плёнки на основе CoSb$_{3}$ термически стабильны до $\approx$ 300°C. Термическая обработка плёнок Co–Sb с концентрацией Sb 65–81 ат.% как в вакууме, так и в атмосфере азота при температурах выше 300°C приводит к протеканию фазовых превращений и изменению структуры по схемам: CoSb$_{3}$ + Sb $\rightarrow$ CoSb$_{3}$ (при 300°C), CoSb$_{3}$ $\rightarrow$ CoSb$_{3}$ + CoSb$_{2}$ (при 400–500°C), CoSb$_{2}$ $\rightarrow$ CoSb$_{2}$ + CoSb (при 500–600°C) вследствие растущей с увеличением температуры отжига способности атомов Sb к сублимации как с рентгеноаморфного или кристаллического состояний, так и из антимонидов кобальта CoSb$_{2}$ и CoSb$_{3}$. Определено, что наличие фактора наноразмерности (однофазной кристаллической структуры скуттерудита CoSb$_{3}$ с расширенной областью существования в плёнке с повышенной структурной дефектностью за счёт сублимации сурьмы и уменьшения размера зёрен) обуславливает повышение коэффициента термоэлектрической эффективности плёнок Co–Sb в $\approx$ 8 раз по сравнению с материалом в массивном состоянии. Это имеет практическую значимость при использовании этих материалов для обеспечения автономным питанием маломощных электронных устройств и при создании плёночных холодильников в элементной базе наноразмерного диапазона для компьютерной техники и инфракрасных датчиков.
Ключевые слова: наноразмерная плёнка, термическая обработка, скуттерудит CoSb$_{3}$, антимонид, коэффициент термоэлектрической эффективности.
PACS: 68.37.Ps, 68.55.Nq, 68.60.Dv, 73.50.Lw, 82.80.Yc, 84.60.Rb, 85.80.Fi
Citation: Yu. M. Makogon, S. I. Sidorenko, and R. A. Shkarban, Fabrication of Nanosize Films on the Base of Scutterudite CoSb$_{3}$ for Thermoelectric Devices, Usp. Fiz. Met., 19, No. 1: 5—24 (2018), doi: 10.15407/ufm.19.01.005