ترمو الکتریک پوشش ابر شبکه‌ نیمه رسانا

ترمو الکتریک پوشش ابر شبکه‌ نیمه رسانا – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه فیزیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

پوشش رسوبی  ابرشبکه‌های نیمه رسانا برای کاربردهای ترموالکتریک

چکیده

پیشرفتهای شدید تئوریکی خصیصه‌های ترموالکتریک مواد در خلال سالیان اخیر با استفاده از تحدید کوانتوم در نانوساختارهای نیمه رسانای جدید منجر به بوجود آمدن موارد قابل ملاحظه در جامعه ترموالکتریک گردیده است. بنابراین، ما نسبت به بررسی مسائل مواد حیاتی برای ساخت ساختارهای تحدید شده کوانتوم با استفاده از پوشش ماگنترون‌ در خانواده‌های مواد تلوراید سرب و تلوراید بیسموت، اقدام کرده‌ایم. همچنین ما نسبت به سنتز یا ساخت ساختارهای مادوله‌ای از مواد ترموالکتریک که دارای نقاط دولایه به کوچکی ۳٫۲nm می‌باشند اقدام نموده و نشان داده‌ایم که آنها در دماهای رسوبی بالا برای رشد لایه‌های با کیفیت دارای ثبات یا استقامت می‌باشند. موارد حیاتی در خصوص رشد لایه با کیفیت نظیر هسته‌گذاری و شرایط رشد و تأثیرات آنها در مسیر کریستال و رشد ریخت‌شناسی مورد بررسی قرار گرفته است. این  بررسی‌ها نشان داده است که هسته‌گذاری لایه در دمای زیر دمای رشد خصیصه‌های الکتریکی بهینه باعث تولید لایه‌های با کیفیت بالا می‌شود. کار ما در خصوص پوشش رسوبی، که به صورت ذاتی یک فرآیند رسوب‌گذاری با درجه بالا می‌باشد، منجر به ساخت یک پایه و اساس تکنولوژیکی مورد نیاز جهت توسعه تولید اقتصادی این مواد پیشرفته گردیده است. نرخ بالای رسوب‌گذاری حیاتی می‌باشد چرا که حتی با وجود برقراری کارایی قابل مقایسه با سیستمهای خنک‌سازی بر اساس CFC، میزان زیادی از مواد تحدید یافته کوانتومی برای بوجود آوردن شرایط قابل قبول محصولات از نظر هزینه لازم می‌باشد.

ترمو الکتریک پوشش ابر شبکه‌ نیمه رسانا

مقدمه

تأثیر ترموالکتریک با استفاده از حاملان بار (شارژ) از انرژی گرمایی انتقالی استفاده نموده تا بدین وسیله نسبت به ساخت سیستم خنک کننده حالت جامد با جریان الکتریکی اقدام نموده و یا آنکه از انتشار گرمایی حاملان شارژ در گرادیان گرمایی جهت تولید جریان استفاده نمایند. استفاده از مواد ترموالکتریک به منظور تولید جریان دارای کاربردهای گسترده‌ای می‌باشند که از محدوده حس دمایی (ترموکوپلها) تا ژنراتورهای برق الکتریکی برای سفینه‌های فضایی میان کهکشانی ادامه می‌یابد. کاربرد ترموالکتریکها برای تولید سرمایش یا گرمایش به صورت اولیه بوسیله کارایی آن که کمتر از سیستم سیکل گازی متعارف می‌باشد محدود گشته است. با این وجود، از آنجایی که ادوات ترموالکتریک دارای هیچگونه قطعات متحرکی نمی‌باشند می‌توان آنها را بسیار کوچک و تقریبا ارزان تولید نمود. آنها همچنین هیچگونه نوسان و لرزه‌ای را تولید نمی‌کنند و از اینرو برای کاربردهای همراه با سنسورهای نوری یا مادون قرمز مناسب می‌باشند. با وجود آنکه آنها جایگزین CFC و سیستمهای خنک‌سازی مرتبط برای منجمدسازی غذاها در مقیاس گسترده و یا خنک‌سازی ساختمانها با کارایی بالا نشده‌اند، کولرهای توموالکتریک برای خنک‌کردن غذاهای قابل حمل در حجم و اندازه کوچک بسیار مناسب می‌باشند.

تکنولوژی نیمه رساناها که اخیرا توسعه یافته است و تئوری مربوط به آنها می‌تواند راهی را جهت ایجاد کارایی بیشتر در مهندسی مواد بوجود آورد. این راه به میزان زیادی می‌تواند استفاده از مواد ترموالکتریک را افزایش داده و مزیت‌های کولرهای حالت جامد را در محدوده گسترده‌ای از کاربردهای وابسته به آن افزایش دهد. پیش‌بینی‌های تئوریکی که توسط هایکز  و درسهاز  ارائه شده، استفاده از تحدید کننده کوانتوم دو بعدی حاملان شارژ را در مواد ترموالکتریک چندلایه پیشنهاد نموده و عنوان داشته‌اند استفاده از آنها می‌تواند منجر به افزایش اساسی در ضریب کیفی ترموالکتریک، Z^1,2 شود. ضریب کیفی بصورت ذیل تعریف می‌شود:

ترمو الکتریک پوشش ابر شبکه‌ نیمه رسانا

رویه تجربی

ما کلیه لایه‌ها را برای انجام این آزمایشات با استفاده از پوشش ماگنترون‌ بوجود آوردیم. سیستم پوشش به صورت برودتی پمپ شده و بهترین فشار در حدود ۱x10^-7torr قبل از پوشش بدست آورده است. زیرلایه‌ها بر روی یک مرحله گرم شده ایزوله- الکتریکی سوار شده که در زیر دو یا چند تفنگ پوشش ماگنترون‌ به چرخش در می‌آید. منابع پوششی معمولا حول و حوش فشار Ar 16 میلیتور با نیروی ۱۰w عمل می‌نماید که خود نرخهای رسوب در حدود  درست زیر تفنگ را ارائه می‌نماید. نمونه‌های چندلایه بوسیله تغییر موقعیت زیر لایه‌ها زیر دو منبع پوشش ماگنترون‌ ساخته می‌شوند. غشاهای تک‌لایه ممکن است زیرلایه را مستقیما زیر یک منبع واحد قرار داده باشد. دوپ نمونه نیز با عبور متناوب یک لایه رشد کننده زیر منبع ماگنترون ثانویه در یک نرخ کم بدست می‌آید. یک کامپیوتر نیز موقعیت و میزان حرکت و نیروی منابع پوششی را کنترل نموده و اجازه می‌دهد تا عمل رسوب‌گذاری ساختارهای لایه‌ای پیچیده به صورت اتوماتیک انجام گردد. دما، فشار گاز و پارامترهای تفنگ طی این فرآیند به وسیله سیستم کامپیوتر ثبت می‌شود.

سپرهایی نیز اطراف تفنگها قرار می‌گیرند تا از بروز آلودگی جانبی بین منابع پراش جلوگیری شود. این سپرها گرم شده تا یک جداره گرم محیطی را در اطراف ناحیه روسوبی فراهم آورند، که خود دو هدف را دنبال می‌کند. اول آنکه کمک می‌نماید تا دمای زیرلایه در ناحیه دمای رسوب حفظ شود که خود پدیده مهمی برای زیرلایه‌های میکا و کاپتون می‌باشند که در حالت تعادل تابشی با محیط اطراف خود قرار گرفته‌اند. دوم آنکه تبخیر مجدد Te که این سطوح گرم را بوجود می‌آورند نگهدارنده فشار بیش از حد این عنصر با فشار بخار بالا بر فراز زیرلایه می‌باشد. ترکیب تکنیک جداره گرم و اضافه نمودن Te برای رشد لایه‌های استوکیومتریک لازم است.

ترمو الکتریک پوشش ابر شبکه‌ نیمه رسانا

نتایج

این بخش نتایج بدست آمده از بررسی‌های به عمل آمده بر روی دو خانواده تک لایه‌ای و چند لایه‌ای مواد ترموالکتریک را مورد مطالعه قرار می‌دهد. غشاهای با کیفیت تک‌لایه را می‌بایست مورد تجزیه و ترکیب قرار داد تا آنکه بتوان بدین وسیله با فهم موارد مرتبط با آن نسبت به ساخت غشاهای چندلایه‌ای اقدام نمود. بنابراین، ما در ابتدا کار بر روی کنترل رشد ریخت‌شناسی و کیفیت الکتریکی PbTe و   غشاهای تک لایه آغاز می‌نماییم. سپس، نتایج اولیه برای سیستم چند لایه  معرفی شده و نهایتا موفقیت ما با سنتز ترکیبی مادوله شده غشاهای چندلایه‌ای  تکمیل می‌گردد.

ترمو الکتریک پوشش ابر شبکه‌ نیمه رسانا

کنترل رشد ریخت‌شناسی برای غشاهای تک‌لایه

ریخت‌شناسی رشد غشای تک لایه در رشد متوالی دو جزء غشاهای چندلایه حیاتی می‌باشد. کنترل رشد با چنین روشی می‌تواند مهم باشد چرا که می‌تواند باعث وجود رشد سطحی شده و توپولوژی رشد نیز کیفیت میان وجهی و لایه حفره کوانتوم را در غشاهای چندلایه‌ای خواستار می‌باشد.

ترمو الکتریک پوشش ابر شبکه‌ نیمه رسانا

خصیصه‌های الکتریکی

دوپینگ یکی از موارد مهم برای عملکرد الکتریکی در مواد ترموالکتریک نیمه رسانا می‌باشد. برای هر دوی این مواد Te تمایل به تبخیر مجدد از سطح به هنگام رشد داشته بنابر این تأمین نیروی اضافی Te برای سطح رشد در تحصیل استوکیومتری مهم می‌باشد. ضریب سیبک اندازه‌گیری شده  و مقاومت دیگر لایه‌های غیر دوپ شده به عنوان یک روش قدرتمند برای مانیتورینگ استوکیومتری به شمار می‌آید چرا که اضافه هر جزء در نیمه رساناهای ترکیبی عملکردی همانند دوپینگ دارد. لایه‌های  که به صورت P می‌باشند معمولا نشان دهنده کمبود Te علی‌رغم افزایش آن هستند. با این وجود، تغییر فشار Te بوسیله تغییر دمای سپرها در اطراف تفنگها، به عنوان وسیله کنترل سطح دوپینگ مورد استفاده قرار گرفت.

لایه‌های PbTe دوپ نشده دارای مقاومت بسیار بالایی بوده و هر یک از انواع n یا p، در شرایط رشد دقیق، دارای استوکیومتری مناسبی می‌باشند.

ترمو الکتریک پوشش ابر شبکه‌ نیمه رسانا

سیستم‌های چندلایه

با دستیابی به سطح رشد مورد نظر در غشاهای PbTe تک لایه، تلاشی برای رشد غشاهای چندلایه  صورت پذیرفت. متأسفانه، تنها شواهد ضعیفی برای ساختار چندلایه بوسیله انکسار اشعه ایکس در این غشاها یافت شده است. این امر به واسطه اکسیداسیون Eu بوده که به نظر در مرحله تکرار پوششی مقصد بوسیله فرآیند پودر صورت می‌پذیرد.

در سیستم ، ما موفقیت قابل ملاحظه‌ای را در رشد ساختارهای چندلایه بوسیله تغییر نسبت Te:Se بین لایه‌ها به دست آوردیم. تصور می‌شد که با تغییر Se برای Te در این محلول جامد فاصله باند را می‌توان پهن‌تر نمود تا آنکه ماده حایل برای ساختار حفره کوانتم ترموالکتریک بدست آید. ساختارهای چندلایه با استفاده از پارامترهای رسوب‌گذاری بهینه رشد داده شد که بوسیله تجربه‌های فوق‌الذکر بر روی موارد تک‌لایه‌ای تشریح گردیده است. پیکهای ماهواره‌ای در زاویه بالای الگوهای انکسار اشعه ایکس (شکل۲) نشان دهنده آن است که مواد چندلایه همراه با شواهد دوره‌ای در ساختارها در امتداد تکرار دو لایه‌ای طولهای به کوچکی ۳۲ رشد داده شد. در شکل ۳ تکرار طول غشای دولایه‌ای ۱۴۰ نشان دهنده لایه‌گذاری شفاف همراه با تقریبا ضخامتهای لایه مساوی می‌باشد. این نتایج نشان می‌دهد که می‌توان ساختارهای چندلایه‌ای را در سیستم   بوسیله پوشش ماکنترون‌ رشد داد و آنکه آنها در دماهایی که برای رشد بهینه لایه‌های با کیفیت الکتریکی بهینه مورد نیاز می‌باشند، دارای ثبات و پایداری کافی می‌باشند.

ترمو الکتریک پوشش ابر شبکه‌ نیمه رسانا

مباحث

برای غشاهای تک‌لایه، ضریب کیفی بدون بعد لایه‌های رسوبی پوششی زیر سطح بهینه ماده حجیم می‌باشند. این تفاوت نتیجه حامل شارژ اضافه پوششی در این لایه‌های نازک بوده که می‌توان آن را از اندازه‌گیری‌های تحرک هال در جدول ۱ مشاهده نمود. پوشش حامل شارژ چه به صورت ناخالص و چه به صورت ماتریس یا اتمهای دوپینگ در سایت غلط به ظاهر نتیجه کاهش تحرک می‌باشد. ارتقای قابل ملاحظه در ضریب کیفی بوسیله کاهش فشار طی رسوب‌گذاری مورد انتظار می‌باشد.

در جدول۱ خصیصه‌های الکتریکی غشاهای چندلایه  در کنار غشاهای لایه تکی لیست شده است. شکست در بدست آوری ارتقاء در ضریب کیفی بدون بعد این غشاها می‌تواند مرتبط با ناکافی بودن بلندی ماده حایل باشد. طیف سنجی مادون قرمز برای بررسی بلندی ماده حایل در این مواد به کار گرفته شد و تفاوت اندکی بین ماده حایل عرضه شده و مواد حفره‌ای مشاهده شد. تفسیر نتایج بررسی IR مشکل بوده که به واسطه سطوح دوپینگ بالا همراه با حاشیه‌های اطراف لایه‌های نازک می‌باشد.

با وجود آنکه ترکیب ماده حایل انتخاب شده در این تحقیق برای تولید تحدید کوانتوم کافی نمی‌باشد می‌توان با تغییر ترکیب، ماده‌ای با فاصله باند پهن‌تری را بدست آورد. همچنین عناصر دیگری تشکیل دهنده محلولهای جامد در این سیستم بوده و به عنوان کاندیداهای بالقوه برای مواد ماده حایل به شکار می‌رود.

ترمو الکتریک پوشش ابر شبکه‌ نیمه رسانا

نتیجه‌گیری

شرایط رشد لایه‌های نازک ترموالکتریک  بوسیله پوشش ماکنترون‌ مورد بهینه‌سازی قرار گرفته است. بوسیله هسته‌گذاری لایه در دمای زیر دمای رشد، لایه‌های کاملا جهت‌دار متناسب بر BaF₂ و میکا رشد داده شد. ساختارهایی که دارای بعدهای مناسب برای تحدید کوانتوم می‌باشند از مواد ترموالکتریک با استفاده از پوشش ساخته شده‌اند. این ساختارها نشان داده‌اند که دارای ثبات و پایداری در دماهای رسوب‌گذاری مورد نیاز جهت رشد مواد با کیفیت بالا را دارند. به منظور دستیابی به تحدید کوانتوم در سیستم ، مواد ماده حایل فاصله باند بالاتر مورد نیاز می‌باشد که سازگار با رشد مواد ترموالکتریک لایه نازک با کیفیت که در اینجا توسعه داده شد هستند.