Структурные и морфологические особенности магнетронных пленок теллурида висмута n-типа проводимости ВЧ МР

Цель исследования. Характеризация нанопленок теллурида висмута n-типа проводимости из мишени Bi2Te2,7Se0,3, формируемых методом высокочастотного магнетронного распыления в среде Ar на кремниевой подложке.
Методы. Высокочастотное магнетронное распыление на подложку из кремния осуществлялось в зависимости от изменений управляющих параметров (мощности P = 50 – 80 Вт и времени t = 1800 – 2700 с) распыления. Характеризация магнетронных нанопленок проводилась методами рентгенофазового анализа, атомно-силовой микроскопии, сканирующей электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального энергодисперсионного анализа, цифровой голографической микроскопии и комбинационного (рамановского) рассеяния света. Проводилась статистическая обработка АСМ-изображений МНП с построением автокорреляционных функций по прямому преобразованию Фурье, анализ изменений фрактальных размерностей МНП.
Результаты. Прецизионно с применением АСМ, ЦГМ, СЭМ и специально разработанной методики по ЭДА измерены толщины и рассчитаны скорости роста МНП, доказано их линейное увеличение в зависимости от P и t. По данным КРС и РФА установлено, что в процессе ВЧ МР Bi2Te2,7Se0,3 формируются поликристаллические МНП, кристалличность которых была достигнута после отжига при 623 К. По дифрактограммам РФА рассчитаны размеры областей когерентности, текстурированности, микродеформаций и межплоскостных деформационных искажений МНП. Проведена статистическая обработка АСМ-изображений МНП с определением фрактальной размерности и построением по ППФ АКФ. Доказано, что МНП имеют 3Dмерность и формируются, подчиняясь смешанному механизму Странского – Крастанова.
Заключение. В магнетронных нанопленках Bi2Te3 n-проводимости обнаружены деформации обоих знаков: как сжимающие (∆а < 0), так и растягивающие (∆a > 0). Расчетные размеры когерентности согласуются с низким уровнем кристалличности и слабо зависят от роста как P, так и t. По измерениям методом «ступеньки» толщины МНП скорость их формирования составила V ≈ 0,6 нм/с.

1. High ZT and performance controllable thermoelectric devices based on electrically gated bismuth telluride thin films / Dongli Qin, Feng Pan, Jie Zhou, Zibo Xu, Yuan Deng // Nano Energy. 2021. Vol. 89. P. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106472.

2. Thermoelectric properties of bismuth telluride thin films electrodeposited from a nonaqueous solution / K. Cicvaric, L. Meng, D.W. Newbrook, R. Huang, S. Ye, W. Zhang [et al.] // ACS Omega. 2020. Vol. 5, no. 24. P. 14679–14688. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c01284.

3. Cao T., Shi X.-L., Chen Z.-G. Advances in the design and assembly of flexible thermoelectric device // Progress in Materials Science. 2023. Vol. 131. P. 101003. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.101003.

4. Мустафаева Д.Г., Магкоев Т.Т. Термоэлектрические свойства халькогенидных полупроводниковых соединений и эффективность процесса преобразования // Сибирский физический журнал. 2024. Т. 19, № 1. С. 89–96. https://doi.org/10.25205/2541-9447-2024-19-1-89-96.

5. Metal-ceramic composite Bi2Te3-Gd: thermoelectric properties / O.N. Ivanov, M.N. Yapryntsev, A.E. Vasil’ev, M.V. Zhezhu, V.V. Khovaylo // Glass and Ceramics. 2022. Vol. 79, no. 5-6. P. 180–184. https://doi/org/10.1007/s10717-022-00480-7.

6. Topological thermoelectric materials materials based on Bismuth Telluride / L.N. Lukyanova, O.A. Usov, M.P. Volkov, I.V. Makarenko // Nanobiotechnology Reports. 2021. Vol. 16. P. 282–293. https://doi.org/10.1134/S2635167621030125.

7. Effects of preparation methods on the thermoelectric performance of SWCNT/Bi2Te3 bulk composites / Yuqi Liu, Yong Du, Qiufeng Meng, Jiayue Xu, Shirley Z. Shen // Materials. 2020. Vol. 13, 11. P. 2636. https://doi.org/10.3390/ma13112636.

8. Growth of single-crystalline Bi2Te3 hexagonal nanoplates with and without single nanopores during temperature-controlled solvothermal synthesis / Yuichi Hosokawa, Koji Tomita, Masayuki Takashiri // Scientific reports. 2019. Vol. 9. P. 10790. https://doi.org/10.1038/s41598-019-47356-5.

9. Flexible thermoelectric generator fabricated by screen printing method from suspensions based on Bi2Te2.8Se0.2 and Bi0.5Sb1.5Te3 / I. Voloshchuk, A. Babich, S. Pereverzeva, D. Terekhov, A. Sherchenkov // Journal of Central South University. 2023. Vol. 30. P. 2906–2918. https://doi.org/10.1007/s11771-023-5257-0.

10. Amirghasemi F., Kassegne S. Effects of RF magnetron sputtering deposition power on crystallinity and thermoelectric properties of antimony telluride and bismuth telluride thin films on flexible substrates // Journal of Electronic Materials. 2021. Vol. 50. P. 2190–2198. https://doi.org/10.1007/s11664-020-08681-y.

11. Thermoelectric properties of Bi2–xLuxTe2,7Se0,3 solid solutions / A.E. Vasil’ev, M.N. Yapryntsev, O.N. Ivanov, M.V. Zhezhu // Semiconductors. 2019. Vol. 53, no. 5. P. 673–677. https://doi.org/10.1134/S1063782619050282.

12. Влияние материала подложки на структуру, топологию, состав, оптические и механические свойства химически осажденных пленок PbS / Л.Н. Маскаева, А.В. Поздин, В.Ф. Марков, Е.В. Мостовщикова, В.И. Воронин, П.Н. Мушников [и др.] // Журнал технической физики. 2024. Т. 94, № 11. С. 1922–1934. https://doi.org/10.61011/jtf.2024.11.59110.39-24.

13. Магнетронные углеродные структуры, полученные высокочастотным магнетронным распылением в среде аргона и азота / А.П. Кузьменко, А.И. Колпаков, А.С. Сизов, В.М. Емельянов, Ю.А. Неручев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2024. Т. 14, № 2. С. 71–87. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2024-14-2-71-87.

14. A simple approach for thickness measurements using electron probe microanalysis / M. Essani, V. Krawiec, E. Brackx, E. Excoffier, P. Jonnard // Microscopy and Microanalysis. 2021. Vol. 27. P. 337–343. https://doi.org/10.1017/S1431927621000088.

15. Interlayer vibrational modes in few-quintuple-layer Bi2Te3 and Bi2Se3 two-dimensional crystals: Raman spectroscopy and first-principles studies / Y. Zhao, X. Luo, J. Zhang, J. Wu, X. Bai, M. Wang [et al.] // Physical Review B. 2014. Vol. 90, no. 24. P. 245428. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.245428.

16. Bose R.S.C., Ramesh K. Study of anisotropic thermal conductivity in textured thermoelectric alloys by Raman spectroscopy // RSC advances. 2021. Vol. 11. P. 24456. https://doi.org/10.1039/D1RA04886D.

17. Weak antilocalization in thin films of the Bi2Te2.7Se0.3 solid solution / N.A. Abdullaev, O.Z. Alekperov, Kh.V. Aligulieva, V.N. Zverev, A.M. Kerimov, N.T. Mamedov // Physics of the Solid State. 2016. Vol. 58, no. 9. P. 1870–1875. https://doi.org/10.1134/S106378341609002X.

18. Structural, electronic and thermoelectric properties of Bi2Se3 thin films deposited by RF magnetron sputtering / S. Gautam, A.K. Verma, A. Balapure, B. Singh, R. Ganesan, M.S. Kumar [et al.] // Journal of Electronic Materials. 2022. Vol. 51, no. 5. P. 2500–2509. https://doi.org/10.1007/s11664-022-09498-7.

19. Raman scattering in amorphous selenium molecular structure and photoinduced crystallization / A.A. Baganich, V.I. Mikla, D.G. Semak, A.P. Sokolov, A.P. Shebanin // Physica Status Solidi (B) Basic Research. 1991. Vol. 166. https://doi.org/10.1002/pssb.2221660133.

20. Evidence of Chlorotellurate (IV) – Hedroxochlorotellurate (IV) species equilibrium upon dissolution of tellurite glasses in aqueous hydrochloric acid: A Raman spectroscopic study / N.K. Nasikas, P. Siafarika, S. Tsigoias, C. Kouderis, S. Boghosian, A.G. Kalampounias // Physica B: Condensed Matter. 2023. Vol. 668. P. 415225. https://doi.org/10.1016/j.physb.2023.415225.

21. Phase transformation and room temperature stabilization of various Bi2O3 nano-polymorphs: effect of oxygen-vacancy defects and reduced surface energy due to adsorbed carbon species / A.C. Gandhi, C.-Y. Lai, K.-T. Wu, P.V.R.K. Ramacharyulu, V.B. Koli, C.-L. Cheng [et al.] // Nanoscale. 2020. Vol. 12. P. 24119–24137. https://doi.org/10.1039/D0NR06552H.

22. Optimization in fabricating bismuth telluride thin films by ion beam sputtering deposition / Z.H. Zheng, P. Fan, T.B. Chen, Z.K. Cai, P.J. Liu, G.X. Liang [et al.] // Thin Solid Films. 2012. Vol. 520. P. 5245–5248. https:doi:10.1016/j.tsf.2012.03.086.

23. Influences of substrate types and heat treatment conditions on structural and thermoelectric properties of nanocrystalline Bi2Te3 thin films formed by DC magnetron sputtering / T. Kurokawa, R. Mori, O. Norimasa, T. Chiba, R. Eguchi, M. Takashiri // Vacuum. 2020. Vol. 179. P. 109535. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109535.

24. [Bi]:[Te] control, structural and thermoelectric properties of flexible BixTey thin films prepared by RF magnetron sputtering at different sputtering pressures / P. Nuthongkum, R. Sakdanuphab, M. Horprathum, A. Sakulkalavek // Journal of Electronic Materials. 2017. Vol. 46. P. 6444–6450. https://doi.org/10.1007/s11664-017-5671-x.

25. Vorokh A.S. Scherrer formula: estimation of error in determining small nanoparticle size // Nanosystems: physics, chemistry, mathematics. 2018. Vol. 9, no. 3. P. 364–369. https://doi.org/10.17586/ 22208054201893364369.

26. Структурные, оптические и электрические свойства тонких пленок Cu2SnSe3, полученных золь-гель-методом / И.Г. Орлецкий, М.Н. Солован, F. Pinna, G. Cicero, П.Д. Марьянчук, Э.В. Майструк [и др.] // Физика твердого тела. 2017. Т. 59, 4. С. 783–789. https://doi.org/10.21883/FTT.2017.04.44283.354.

27. Necas D., Valtr M., Klapetek P. How levelling and scan line corrections ruin roughness measurement and how to prevent it // Scientific reports. 2020. Vol. 10. P. 15294. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72171-8.

28. Taguchi optimized synthesis of graphene films by copper catalyzed ethanol decomposition / S. Santangelo, G. Messina, A. Malara, N. Lisi, T. Dikonimos, A. Capasso [et al.] // Diamond and Related Materials. 2014. Vol. 41. P. 73–78. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2013.11.006.

29. Структурные и морфологические особенности магнетронных наноплёнок HfN с разной толщиной / А.П. Кузьменко, Е.О. Гусев, В.В. Родионов, А.С. Сизов, Ю.А. Миргород, Мьо Мин Тан // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 12. № 4. С. 110–123. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2022-12-4-110-12.

30. Analyzing the surface dynamics of Titanium thin films using fractal and multifractal geometry / A. Das, R.P. Yadav, V. Chawla, S. Kumar, S. Talu, E. P. Pinto [et al.] // Materials Today Communications. 2021. Vol. 27. P. 102385. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102385.

31. Структурные и морфологические особенности магнетронных наноплёнок TaN с разной толщиной / А.П. Кузьменко, И.С. Кашкин, А.И. Колпаков, А.И. Жакин, В.М. Емельянов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2024. Т. 14, № 3. С. 147–164. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2024-14-3-147-164.