Виготовлення нанорозмірних плівок на основі скутерудиту CoSb$_{3}$ для термоелектричних приладів
Ю. М. Макогон, С. І. Сидоренко, Р. А. Шкарбань
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», просп. Перемоги, 37, 03056 Київ, Україна
Отримана: 07.11.2017; остаточний варіант - 12.03.2018. Завантажити: PDF
Роботу присвячено встановленню закономірностей термостимульованого формування фазового складу та структури плівок на основі скутерудиту CoSb$_{3}$, осаджених методом вакуумної конденсації, а також впливу чинника нанорозмірности на їхні термоелектричні властивості. Вивчено вплив температури підкладинки та фізико-технологічних параметрів (температура, тривалість, середовище) термічного оброблення на фазовий склад, структуру, рівень механічних напружень і термоелектричні властивості плівок CoSb$_{x}$ товщиною у 30 нм (1,8 $\leq$ $x$ $\leq$ 4,2; 65–81 ат.% Sb). Визначено, що зміна температури підкладинки при осадженні нанорозмірних плівок Co–Sb у концентраційному інтервалі 65–81 ат.% Sb уможливлює реґулювати структурний стан. При осадженні на підкладинки за кімнатної температури формується рентґеноаморфний стан з розширеною областю існування фази CoSb$_{3}$ 75–80 ат.% Sb після кристалізації при подальшому нагріванні. При збільшенні температури підкладинки до 200°C утворюється кристалічний стан, і закономірності формування фазового складу в плівках Co–Sb характеризуються послідовністю, яка аналогічна діяграмі фазової рівноваги станів для масивної системи Co–Sb з утворенням фази CoSb$_{3}$ при $\approx$ 75 ат.% Sb. Встановлено, що плівки на основі CoSb$_{3}$ термічно стабільні до $\approx$ 300°C. Термічне оброблення плівок Co–Sb з концентрацією Sb 65–81 ат.% як у вакуумі, так і в атмосфері азоту при температурах вище 300°C приводить до перебігу фазових перетворень і зміни структури за схемами: 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) внаслідок зростаючої зі збільшенням температури відпалювання здатности атомів Sb до сублімації як з рентґеноаморфного або кристалічного станів, так і з антимонідів кобальту CoSb$_{2}$ і CoSb$_{3}$. Визначено, що наявність чинника нанорозмірности (однофазної кристалічної структури скутерудиту CoSb$_{3}$ з розширеною областю існування в плівці з підвищеною структурною дефектністю за рахунок сублімації сурми і зменшення розміру зерен) зумовлює підвищення коефіцієнта термоелектричної ефективности плівок Co–Sb у $\approx$ 8 разів у порівнянні з масивним матеріялом. Це має практичну значимість при використанні цих матеріялів для забезпечення автономним живленням малопотужних електронних пристроїв і при створенні плівкових холодильників в елементній базі нанорозмірного діяпазону для комп’ютерної техніки та інфрачервоних давачів.
Ключові слова: нанорозмірна плівка, термічне оброблення, скутерудит CoSb$_{3}$, антимонід, коефіцієнт термоелектричної ефективности.
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