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


Цитированная литература (19)  
  1. A. F. Ioffe, Ehnergeticheskie Osnovy Termoelektricheskikh Batarey iz Poluprovodnikov [Energy Basis of Thermoelectric Semiconductor Batteries] (Moscow-Leningrad: AN SSSR.: 1950) (in Russian).
  2. A. O. Epreman, V. M. Arutyunyan, and A. I. Vaganyan, Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 25, No. 5: 7 (2005) (in Russian).
  3. A. V. Shevelkov, Russ. Chem. Rev., 77, No. 1: 1 (2008). Crossref
  4. M. Carle, P. Pierrat, C. Lahalle-Gravier, S. Scherrer, and H. Scherrer, J. Phys. Chem. Solids, 56: 201 (1995). Crossref
  5. G. A. Slack, New Materials and Performance Limits for Thermoelectric Cooling, CRC Handbook of Thermoelectrics (Ed. D. M. Rowe) (Boca Raton: CRC Press: 1995), p. 407.
  6. D. M. Freik, M. O. Galuschak, O. S. Krunutcky, and O. M. Matkivskiy, Physics and Chemistry of Solid State, 14, No. 2: 300 (2013) (in Ukrainian).
  7. X. J. Zheng, L. Zhu, and Y.-H. Zhou, Applied Phys. Lett., 87: 242101 (2005). Crossref
  8. J. Sommerlatte, K. Nielsch, and H. Bottner, Physik Journal, 6, Nr. 5: 35 (2007) (in German).
  9. D. Zhao, Ch. Tian, Y. Liu, Ch. Zhan, and L. Chen, J. Alloys and Compounds, 509: 3166 (2011). Crossref
  10. Yu. N. Makogon, E. P. Pavlova, S. I. Sidorenko, D. Beke, A. Csik, and R. A. Shkarban, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 36, No. 12: 1621 (2014) (in Russian). Crossref
  11. Yu. M. Makogon, S. I. Sidorenko, and R. A. Shkarban, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 39, No. 5: 677 (2017) (in Russian). Crossref
  12. Yu. N. Makogon, S. I. Sidorenko, and R. A. Shkarban, Metaloznavstvo ta Obrobka Metaliv, No. 1 (77): 39 (2016) (in Ukrainian).
  13. M. V. Daniel, C. Brombacher, G. Beddies, N. Jöhrmann, M. Hietschold, D. C. Johnson, Z. Aabdin, N. Peranio, O. Eibl, and M. Albrecht, J. Alloys and Compounds, 624: 216 (2015). Crossref
  14. M. V. Daniel, L. Hammerschmidt, C. Schmidt, F. Timmermann, J. Franke, N. Jöhrmann, M. Hietschold, D. C. Johnson, B. Paulus, and M. Albrecht, Phys. Rev. B, 91: 085410 (2015). Crossref
  15. C. Caylor, A. M. Stacy, B. Bloom, R. Gronsky, T. Sands, W. W. Fuller-Mora, A. Ehrlich, D. Song, and G. Chen, IEEE 18th International Conference on Thermoelectrics (August 29–September 2, 1999), p. 657. Crossref
  16. N. R. Dilley, E. D. Bauer, M. B. Maple, S. Dordevic, D. N. Basov, F. Freibert, T. W. Darling, A. Migliori, B. C. Chakoumakos, and B. C. Sales, Phys. Rev. B, 61, No. 7: 4608 (2000). Crossref
  17. G. A. Lamberton Jr., S. Bhattacharya, R. T. Littleton IV, M. A. Kaeser, R. H. Tedstrom, and T. M. Tritt, Appl. Phys. Lett., 80, No. 4: 598 (2002). Crossref
  18. J. Y. Peng, P. N. Alboni, J. He, B. Zhang, Z. Su, T. Holgate, N. Gothard, and T. M. Tritt, J. Appl. Phys., 104: 053710 (2008). Crossref
  19. A. Harnwunggmounga, K. Kurosakia, Y. Ohishia, H. Muta, and Sh. Yamanaka, J. Alloys and Compounds, 509: 1084 (2011). Crossref