Growth and structure of thermally evaporated Bi2Te3 thin films

Abstract

The growth mechanism, microstructure, and crystal structure of the polycrystalline nBi2Te3 thin films with thicknesses d = 15 – 350 nm, prepared by thermal evaporation in vacuum onto glass substrates, were studied. Bismuth telluride with Te excess was used as the initial material for the thin film preparation. The thin film characterization was performed using X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, scan electron microscopy, and electron force microscopy. It was established that the chemical composition of the prepared films corresponded rather well to the starting material composition and the films did not contain any phases apart from Bi2Te3. It was shown that the grain size and the film roughness increased with increasing film thickness. The preferential growth direction changed from [00l] to [015] under increasing d. The X-ray photoelectron spectroscopy studies showed that the thickness of the oxidized surface layer did not exceed 1.5 – 2.0 nm and practically did not change in the process of aging at room temperature, which is in agreement with the results reported earlier for single crystals. The obtained data show that using simple and inexpensive method of thermal evaporation in vacuum and appropriate technological parameters, one can grow n-Bi2Te3 thin films of a sufficiently high quality.

Телурид вісмуту (Bi 2 Te 3 ) є ефективним термоелектричним матеріалом, і виготовлення тонких плівок Bi 2 Te 3 з хорошими термоелектричними властивостями є необхідною умовою для реалізації потенціалу цих матеріалів у застосуванні мікропристроїв. Контрольоване осадження вмісту та термічна обробка з низьким негативним впливом є двома основними проблемами при виготовленні високоефективних тонких плівок. У цьому дослідженні стехіометричний Bi 2 Te 3тонкі плівки були успішно виготовлені за допомогою двоетапного процесу термічної пари з одним джерелом випаровування. Потім швидкий термічний процес, який міг уникнути втрати компонентів, був використаний для подальшого покращення кристалічності та термоелектричних властивостей тонких плівок. Коефіцієнт Зеєбека тонких плівок Bi 2 Te 3 явно збільшився після швидкої термічної обробки, що призвело до підвищення коефіцієнта потужності та хорошої гнучкості. Такі тонкі плівки демонстрували низьку теплопровідність через їх нанорозмірні зерна, що призвело до високого ZT гнучких тонких плівок Bi 2 Te 3