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


Цитована література (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