Состав и термоэлектрические свойства структур на основе силицида железа, выращенных методом импульсного лазерного осаждения
Аннотация
Соединения кремния обладают широким спектром электрофизических свойств. В частности, крайне привлекательной выглядит возможность создания термоэлектрических преобразователей на их основе. Применение большинства силицидов в качестве термоэлектриков на сегодняшний день ограничено низким КПД. Разработка подходов, заключающихся в создании низкоразмерных структур с использованием неравновесных методов формирования, является одним из приоритетных направлений совершенствования свойств термоэлектрических генераторов. Определение влияния условий технологического процесса на структуру, физико-химические состояния и термоэлектрические свойства металл-силицидных структур является ключевой задачей, решение которой позволит создать на их основе высокоэффективные термоэлектрические генераторы.
В работе исследовались тонкопленочные структуры с толщиной слоя ~ 50 нм, сформированные при различной температуре роста методом импульсного лазерного осаждения на двух типах подложек: из сапфира и арсенида галлия, покрытого нанослоем Al2O3. На сформированных образцах выполнены химический анализ и исследование фазового состава. Химический анализ проводился методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с профилированием химического состава по глубине. Фазовый состав изучался методом спектроскопии комбинационного рассеяния света. Дополнительно проводился элементный анализ пленок методом рентгеноспектрального микроанализа на основе растрового электронного микроскопа. Для определения термоэлектрических свойств получаемых тонкопленочных структур регистрировались температурные зависимости коэффициента Зеебека и
коэффициента электропроводности.
Проведен анализ зависимости термоэлектрических характеристик плёнок силицида железа от фазового состава. В частности, измерения термоэлектрических свойств тонкопленочных структур FeSix показали проявление сильного термоэлектрического эффекта в слоях с максимальным количеством химических связей между железом и кремнием. С использованием метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии определены параметры ростового процесса, при которых достигается наиболее эффективное образование химических связей железо-кремний. На спектрах комбинационного рассеяния света обнаружены сдвиги линий от бета-фазы дисилицида железа, и были предложены причины их появления
Скачивания
Литература
Tritt T. M., Subramanian M. A. Thermoelectric materials, phenomena, and applications: a bird’s eye view. MRS Bulletin. 2006;31: 188–198. https://doi.org/10.1557/mrs2006.44
Belonogov E. К., Dybov V. А., Kostyuchenko A. V., Kuschev S. B., Sanin V. N., Serikov D. V., Soldatenko S. А. Modification of the surface of thermoelectric branches based on a Bi2Te3-Bi2Se3 solid solution by pulse photon treatment method. Condensed Matter and Interphases. 2017;19(4): 479–488. https://doi.org/10.17308/kcmf.2017.19/226
Rowe D. M. Thermoelectrics Handbook. Macro to Nano. New York: CRC Press; 2006. 1008 p. https://doi.org/10.1201/9781420038903
Chen L. J. Silicide Technology for Integrated Circuits. London: TheInstitution of Engineering and Technology; 2004. 279 p. https://doi.org/10.1049/PBEP005E
Wan Q., Wang T. H., Lin C. L. Synthesis and optical properties of semiconducting beta-FeSi2 nanocrystals. Applied Physics Letters. 2003;82: 3224–3226. https://doi.org/10.1063/1.1574845
Odkhuu D., Yun W. S., Hong S. C. Magnetocrystalline anisotropy energy and spin polarization of Fe3Si in bulk and on Si(001) and Si(111) substrates. Thin Solid Films. 2011;519: 8218–8222. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.03.093
Feng X., Fan Y., Nomura N., Kikuchi K., Wang L., Jiang W., Kawasaki A. Graphene promoted oxygen vacancies in perovskite for enhanced thermoelectric properties. Carbon. 2017;112: 169–176. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.11.012
Satyala N., Rad A. T., Zamanipour Z., Norouzzadeh P., Krasinski J. S., Tayebi L., Vashaee D. Reduction of thermal conductivity of bulk nanostructured bismuth telluride composites embedded with silicon nano-inclusions. Journal of Applied Physics. 2014;115(4): 044304. https://doi.org/10.1063/1.4861727
Zvonkov B. N., Vikhrova O. V., Danilov Yu. A., … Sapozhnikov M. V. Using laser sputtering to obtain semiconductor nanoheterostructures. Journal Optical Technology. 2008;75(6): 389–393. https://doi.org/10.1364/jot.75.000389
Liu Z., Osamura M., Ootsuka T., … Tanoue H. Effect of a Fe3Si buffer layer for the growth of semiconducting b-FeSi2 thin film on stainless steel substrate. Journal of Crystal Growth. 2007;307(1): 82–86. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2007.06.007
Behr G., Werner J., Weise G., Heinrich A., Burkov A., Gladun C. Preparation and properties of high-purity b-FeSi2 single crystals. Physica Status Solidi (a). 1997;160(2): 549–556. https://doi.org/10.1002/1521-396x(199704)160:2<549::aid-pssa549>3.0.co;2-8
Lange H. Electronic properties of semiconducting silicides. Physica Status Solidi B. 1997;201(1): 3–65. https://doi.org/10.1002/1521-3951(199705)201:1<3::aid-pssb3>3.0.co;2-w
Chen Z.-G., Han G., Yang L., Cheng L., Zou J. Nanostructured thermoelectric materials: Current research and future challenge. Progress in Natural Science: Materials International. 2012;22(6): 535–549. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2012.11.011
Ohnuma I., Abe S., Shimenouchi S., Omori T., Kainuma R., Ishida K. Experimental and thermodynamic studies of the Fe–Si binary system. ISIJ International. 2012;52(4): 540–548. https://doi.org/10.2355/isijinternational.52.540
Bobrov A. I., Danilov Yu. A., Dorokhin M. V., … Syed S. Application of cobalt in spin light Schottky diodes with InGaAs/GaAs quantum wells. Surface. X-ray, synchrotron and neutron studies. 2015;7: 57–60. https://doi.org/10.7868/S0207352815070057
Boryakov A. V., Surodin S. I., Kryukov R. N., Nikolichev D. E., Zubkov S. Yu. Spectral fit refinement in XPS analysis technique and its practical applications. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 2018;229: 132–140. https://doi.org/10.1016/j.elspec.2017.11.004
Ohtsu N., Oku M., Nomura A., Sugawara T., Shishido T., Wagatsuma K. X-ray photoelectron spectroscopic studies on initial oxidation of iron and manganese mono-silicides. Applied Surface Science. 2008;254: 3288–3294. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2007.11.005
Sidashov A. V., Kozakov A. T., Kolesnikov V. I., Manturov D. S., Yaresko S. I. Surface modification features of tool steels by laser radiation. Journal of Friction and Wear. 2020;41(6): 549–553. https://doi.org/10.3103/S1068366620060185
Dorokhin M. V., Demina P. B., Erofeeva I. V., …Trushin V. N. Nanostructured SiGe:Sb solid solutions with improved thermoelectric figure of merit. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2020;11(6): 680–684. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2020-11-6-680-684
Demidov E. S., Zubkov S. Yu., Lesnikov V. P., Maksimov G. A., Nikolichev D. E., Podol’skii V. V. X-Ray photoelectron and auger spectroscopy analysis of Ge:Mn-based magnetic semiconductor layers. Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2008;2(4): 541–545. https://doi.org/10.1134/S1027451008040083
Volodin V. A., Sinyukov M. P. Anisotropy of long-wavelength optical phonons in GaAs/AlAs superlattices. JETP Letters. 2014;99: 396–399. https://doi.org/10.1134/S0021364014070121
Volodin V. A., Koshelev D. I. Quantitative analysis of hydrogen in amorphous silicon using Raman scattering spectroscopy. Journal of Raman Spectroscopy. 2013;44: 1760–1764. https://doi.org/10.1002/jrs.4408
Terai Y., Yamaguchi H., Tsukamoto H., Murakoso N., Hoshida H. Polarized Raman spectra of b-FeSi2 epitaxial film grown by molecular beam epitaxy. AIP Advances. 2018;8: 105028. https://doi.org/10.1063/1.5042801
Li F., Lustig N., Klosowski P., Lannin J. S. Disorder-induced Raman scattering in NiSi2. Physical Review B. 1990;41(14): 10210–10213. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.41.10210
Guizzetti G., Marabelli F., Patrini M., Pellegrino P., Pivac B. Measurement and simulation of anisotropy in the infrared and Raman spectra of Β single crystals. Physical Review B. 1997;55(21): 14290–14297. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.55.14290
Spizzirri P., Fang J., Rubanov S., Gauja E., Prawer S. Nano-Raman spectroscopy of silicon surfaces. Materials Forum. 2008;34: 161–166. https://doi.org/10.48550/arXiv.1002.2692
Lefki K., Muret P., Bustarret E., … Brunel M. Infrared and Raman characterization of beta iron silicide. Solid State Communications. 1991;80, 791–795. https://doi.org/10.1103/10.1016/0038-1098(91)90509-T
Doǧan I., Van De Sanden M. C. M. Direct characterization of nanocrystal size distribution using Raman spectroscopy. Journal of Applied Physics. 2013;114: 134310. https://doi.org/10.1063/1.4824178
Terukov E. I., Kon’kov O. I., Kudoyarova V. Kh., Gusev O. B., Davydov V. Yu., Mosina G. N. The formation of b-FeSi2 precipitates in microcrystalline Si. Semiconductors. 2002;36(11): 1235–1239. https://doi.org/10.1134/1.1521222
Copyright (c) 2023 Конденсированные среды и межфазные границы
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
