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Sputter를 이용한 Bi2Te3 박막의 성장 및 후 열처리 공정이 열전특성에 미치는 영향
Growth of Bi2Te3 film by rf magnetron sputtering and the effect of annealing on their thermoelectric properties

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Authors
김효정
Advisor
박찬
Major
재료공학부
Issue Date
2012-02
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 재료공학부, 2012. 2. 박찬.
Abstract
열전현상이란 재료 양단간의 온도 차로 전력이 발생하고, 이와는 반대로 전류를 통하면 냉각되는 열전재료의 에너지 직접변환기능을 말한다. 특히 Bi2Te3는 상온영역에서 높은 열전성능지수를 나타내는 대표적인 열전물질로, 열전성능을 높이기 위한 방법으로 나노구조체 등의 저차원의 연구가 진행되고 있다. 그러나 실제 열전소자 제작 시에는 높은 열전 특성뿐만 아니라, 저가의 공정으로 온도차이를 유지할 만큼의 두께로 Bi2Te3박막을 성장시키는 것이 요구된다. 이러한 요건을 충족시키기 위해, 스퍼터로 Bi2Te3박막을 제조하는 연구가 많이 진행되어 왔다. 그러나 두 구성물질간의 증기압 차이로 인해, Bi-Te alloy물질을 증착원으로 사용할 경우 Te의 휘발로 인해 화학 양론비가 일치하는 박막, 즉 가장 높은 열전특성을 나타내는 Bi-Te박막을 제조하는데 어려움이 있다. 또한 Bi와 Te의 개별 증착원을 사용하여 상온에서 조성이 일치(Bi:Te=2:3)하는 박막을 증착하여도, 증착온도나 열처리 온도를 높이는 과정에서 Te의 휘발이 발생한다는 문제가 있다.

Taylor 등은 Bi:Te의 at.%가 38.5:61.5인 분말을 Bi-Te박막과 함께 열처리할 경우 Bi-Te박막의 열전특성이 수렴한다고 발표하였다. 이러한 연구와 같이, 상온에서 증착한 Te결핍된 박막을 Bi-Te분말과 함께 열처리하여 원하는 조성의 박막으로 만드는 것이 가능하다면, Te분위기에서의 열처리 공정은 다른 Bi2Te3조성의 박막을 성장시키는 어떤 공정보다 간단하고 재현성있는 공정이라 여겨진다. 그러나 아직 상온에서 증착한 박막의 조성이 다르거나, 다른 조성의 Bi-Te분말로 열처리하는 경우에도 박막의 열전특성이 평형상태에 도달하는 지에 대해서는 밝혀진 바가 없는 실정이다. 따라서 본 실험에서는 열처리시 다양한 조성의 분말(Te 농도: 60, 62, 64 그리고 100)를 사용하여 박막의 조성과 열전특성이 수렴하는지를 조사하였다. Brebrick 등의 보고에 의하면, Bi2Te3는 미세한 조성차이에 의해서도 분압차이가 발생하므로, 다양한 조성의 Bi-Te alloy 분말을 사용하면 그 조성에 따라 열처리 분위기가 달라질 것이라 기대하였다.

상온에서 증착한 Bi-Te박막은 X-선 회절분석결과, Bi2Te3상 이외에도 BiTe, Bi4Te3상과 같은 상대적으로 Te부족한 상을 포함하고 있는 것으로 추정된다. 그리고 Te의 부족으로 인해 발생하는 과다정공의 영향으로 박막의 운반자농도가 높고(2 x1021 cm-3) 제백계수는 낮은 것(-17 μVK-1)으로 보인다. 이 Te결핍된 박막은 Bi-Te분말과 열처리시, Bi2Te3상을 갖는 박막을 제조할 수 있었다. 동시에 운반자 농도는 3~6 x1019 cm-3으로 감소하며, 제백계수는 -105 μVK-1까지 증가한다. 이러한 경향은, 상온에서 증착한 Bi-Te박막을 열처리시, Bi-Te분말로부터 공급되는 Te로 인해, 박막내에 Te결핍으로 인해 발생한 다른 상(BiTe, Bi4Te3)이 감소한 효과로 인한 것으로 보인다. 그런데 이러한 결과는 Bi-Te분말이 Te를 62 at.% 이상 포함할 때 발생하였으며, Te를 60 at.% 포함하는 경우에는 Te가 박막으로 충분히 공급되지 않았음을 확인하였다. 이 결과들을 토대로, Te분위기를 제어한 열처리 공정을 통해, Te가 부족한 조성이었던 박막을 화학 양론적 조성과 일치(Bi:Te=2:3)하는 Bi-Te박막으로 제조 가능함을 확인할 수 있었다.
Language
kor
URI
https://hdl.handle.net/10371/155440

http://dcollection.snu.ac.kr/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000000838
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Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Material Science and Engineering (재료공학부) Theses (Master's Degree_재료공학부)
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