Bileşik yarıiletken ince filmlerin elektrokimyasal sentezi ve karakterizasyonu

Abstract

Termoelektrik materyaller ısıyı elektrik enerjisine direkt çevirebilen özel bir yarıiletken türüdür. Bizmut bazlı yarıiletkenler; termoelektrik jeneratörler, soğutucular ve optik depo sistemleri gibi termoelektrik aygıtlar için yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bi2Te3 ve türevi olan bileşikler, özellikle n-tipi Bi2Te2,7Se0,3 ve p-tipi Bi0,5Sb1,5Te3, oda sıcaklığında çalışan termoelektrik soğutucularda kullanılan en iyi termoelektrik materyaller olarak düşünülmektedir.Yüksek kaliteli termoelektrik aygıtların hazırlanmasında birçok ince film oluşturma metodu kullanılmaktadır. Bu çalışmada, bu metotlardan biri olan ve aynı çözeltideki türlerin eşzamanlı olarak depozit edilebildiği kodepozisyon tekniği üzerine çalışılmıştır. Kodepozisyon tekniği ile upd potansiyelinde çalışılarak her bir elementin atomik tabakalarının yerine atomlarının birebir eşleşmesiyle bileşik oluşumu sağlanmıştır.Bi2Te3-ySey ince filmleri Au(111) substratları üzerinde elektrokimyasal kodepozisyon metodu kullanılarak 25 oC'de büyütülmüştür. Bi, Te ve Se'un upd potansiyellerine bağlı uygun kodepozisyon potansiyelleri dönüşümlü voltametri çalışmalarıyla belirlenmiştir. Bu filmler Ag/AgCl (3 M NaCl) referans elektrotuna karşı -0,02 V potansiyelde 0,1 M HNO3 içinde çözünmüş 2,5 mM Bi(NO3)3, 2 mM TeO2 ve 0,3 mM SeO2 elektrolitlerinin eşit hacimde karıştırılmasıyla elde edilen sistemden büyütülmüştür.İnce filmlerin karakterizasyonu için x-ışını kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılım spektroskopisi (EDS) kullanılmıştır. XRD ve EDS sonuçları, büyütülen filmlerin uygun kompozisyonda (Bi2Te2,7Se0,3) ve tek fazlı yapıda olduğunu göstermiştir. SEM çalışmaları ise filmlerin homojen olduğunu ve mikron boyutta granüler kristallerle kaplı olduğunu göstermektedir.

Thermoelectric materials are special types of semiconductors that can directly convert heat to electrical energy. Bismuth-based semiconductors are commonly used for thermoelectric devices such as thermoelectric generators, coolers and for optical storage systems. Bi2Te3 and its derivative compounds are considered to be the best materials used in thermoelectric refrigeration at room temperature, in particular Bi2Te2.7Se0.3 and Bi0.5Sb1.5Te3 for the n-type and p-type, respectively.A few numbers of thin film preparing methods are used in the constructions of high quality thermoelectrical devices. In this study, co-deposition technique was applied to upd potentials, which can deposite species from same solution simultaneously.Bi2Te3-ySey thin films were grown on Au(111) substrates using an electrochemical co-deposition method at room temperature. The appropriate co-deposition potentials based on the underpotential deposition (upd) potentials of Bi, Te and Se have been determined by the cyclic voltammetric studies. The films were grown from a system that obtained from mixing equal volumes of 2.5 mM Bi(NO3)3, 2 mM TeO2, and 0.3 mM SeO2 electrolytes in 0.1 M HNO3 at a potential of -0.02 V vs Ag|AgCl (3 M NaCl).X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and energy dispersive spectroscopy (EDS) were applied to characterize the thin films. XRD and EDS results revealed that the films are single phases with approximate composition of Bi2Te2.7Se0.3. SEM studies showed that the films are homogeneous and have micron sized granular crystallites.