Спосіб отримання квантово-розмірного термоелектричного матеріалу

Реферат: Винахід належить до технології напівпровідникових матеріалів. Спосіб отримання квантоворозмірного термоелектричного матеріалу, який полягає у тому, що вихідну речовину випаровують у вакуумі із наперед синтезованої напівпровідникової сполуки при температурі випаровування наважки (ТВ), осадження здійснюють на наперед підготовлені підкладки (наприклад, слюда мусковіт, поліамід, ситал, КСl, BaF2, тощо) при температурі підкладки (Т П) протягом певного часу експозиції (t), що визначає товщину конденсату. Час осадження t задається таким, щоб товщина конденсату складала величину, кратну періоду осциляцій  d термоелектричних матеріалів (коефіцієнта Зеєбека S), який визначається шириною квантової ями, сформованої на основі досліджуваного матеріалу. Винахід забезпечує одержання напівпровідникових наноструктур із покращеними термоелектричними характеристиками. UA 103530 C2 (12) UA 103530 C2 UA 103530 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Спосіб належить до технології напівпровідникових наноматеріалів і може бути використаний у наноелектроніці, матеріалознавстві, термоелектриці. Наноматеріали (нанопористі, нанокристали, квантові точки, квантові дроти) мають велику практичну перспективу в області наноелектроніки для розробки нових принципів, а разом із ними надмініатюрних і супероб'ємних систем [Борисенко В.Е. Наноэлектроника - основа информационных систем XXI века // Соросовский образовательный журнал. 1997. № 5. с. 100104]. Для отримання напівпровідникових наноматеріалів використовують методи молекулярнопроменевої епітаксії (molecular-beam epitaxy, МВЕ), осадження із металоорганічних сполук (metaloorganic vapor phase epitaxy, MOVPE) та інші [Белявский В.И. Физические основы полупроводниковой нанотехнологии // Соросовский образовательный журнал. - 1996. - № 10. С. 92-98]. Відзначені способи отримання напівпровідникових наноматеріалів вимагають надзвичайно дорогої технологічної апаратури, прецезійної складної системи керування та спеціальних вихідних матеріалів. Найбільш близьким до запропонованого винаходу є спосіб отримання термоелектричних наноструктурованих тонких плівок [Патент України № 79638. Спосіб отримання наноструктурованого станум телуриду / Д.М. Фреїк, Б.С. Дзундза, І.К. Юрчишин, І.І. Чав'як, Л.Т. Харун (Україна); Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника. -№ u201101012; заявл. 31.01.2011; опубл. 10.08.2011, Бюл. № 15]. Згідно цього методу вихідну речовину випаровують у вакуумі із наперед синтезованої напівпровідникової сполуки при температурі випаровування наважки (Т В), осадження здійснюють на наперед підготовлені підкладки при температурі підкладки (Т П) протягом певного часу експозиції (t), який визначає товщину конденсату. Недоліком методу є те, що технологічні режими спрямовані на отримання напівпровідникових тонких плівок, товщина яких не відповідає наномасштабному діапазону, без спрямованої можливості щодо отримання квантово-розмірних матеріалів, які володіють значно кращими термоелектричними властивостями. Задачею запропонованого винаходу є спосіб, який би забезпечував отримання напівпровідникових наноструктур із покращеними термоелектричними характеристиками, зокрема, які характеризуються квантово-розмірними властивостями. Поставлена задача вирішується тим, що при вирощуванні плівок, товщина яких відноситься до нанометрового діапазону, потрібно задавати такі технологічні умови, за яких у вихідному матеріалі реалізуються квантово-розмірні ефекти, а саме, створювати обмеження руху носіїв заряду у певному вимірі, якими є, зокрема, квантові ями. Для квантової ями з високими стінками електрони обмежені в напрямку OZ, а в X- та Yнапрямках їх рух вільний. Електронне обмеження за рахунок зниження розміру зразка приводить до збільшення ширини забороненої зони Eg, що в свою чергу впливає на транспортні властивості. За рахунок квантування зони провідності зі зміною енергії густина станів змінюється стрибкоподібно. У залежності від амплітуди ймовірності електрони можуть знаходитися на будь-якій з підзон (Е1, Е2, ... Еn, де n - номер підзони), з визначеною ймовірністю переходити з однієї зони на іншу найблищу зону і займають рівні до енергії Фермі [Singh M.P., Bhandari CM. Non-monotonic thermoelectric behavior of lead telluride in quantum-well-like structures // Solid State Communicationg, 133, pp. 29-34 (2005)]. Результатом аналізу залежності коефіцієнта Зеєбека (S) від товщини конденсату в рамках розмірного квантового обмеження, яке припускає, що всі електрони займають найнижчу зону (n = 1), є функція типу параболи. Врахування більшої кількості зон, які займають електрони (n = 2, n= 4) призводить до появи розривів у залежності S(d) (фіг. 1), причому, характер функції S n = 1(d) при n = 1 до першого розриву (d = 6нм) збігається з функцією S n = 2(d). A Sn = 2(d) = Sn = 4(d) до другого розриву, який має місце при d = 9 нм. Таким чином, збільшення кількості заселених електронами зон на одиницю призводить до появи одного розриву у функції S(d) з періодом 3 нм, що є причиною спостережуваної осциляційної поведінки (фіг. 1,2). Визначивши величину періоду осциляцій можна встановити товщини (dмін, dмін+dмін, dмін+2dмін, ... dмін+ndмін), при яких максимальними будуть значення термоелектричних параметрів отриманого матеріалу (фіг. 2). Спосіб конкретного виконання Спосіб отримання квантово-розмірного термоелектричного матеріалу здійснюють таким чином. В якості наважки використовують синтезовану напівпровідникову сполуку, яку випаровують у вакуумі при температурі Т В, а при температурі ТП осаджують пару протягом часу t на наперед підготовлені підкладки (наприклад, слюда мусковіт, поліамід, ситал, КС1, BaF2, або 1 UA 103530 C2 5 10 15 інші). При цьому, час осадження t задається таким, щоб товщина осадженого матеріалу складала величину, кратну періоду осциляцій квантової ями отриманого матеріалу. Експериментальне значення періоду осциляцій дорівнює мінімальній ширині квантової ями dмін, при якій квантово-розмірні ефекти є основним фактором, що обумовлюють немонотонний хід товщинних залежностей термоелектричних параметрів відповідних структур. Так, наприклад, вихідну речовину випаровують із наперед синтезованої сполуки SnTe при температурі випаровування наважки Т В = (970±10)К, осаджують на підкладку із свіжих сколів по лощині (0001) слюди при температурі Тп = (420-520) К протягом певного часу t Максимальні значення коефіцієнта Зеєбека спостерігаються при товщинах 1,8 нм, 5,8 нм, 8,8 нм (фіг. 1,2). Перелік фігур креслення Фіг. 1. Розрахункова залежність коефіцієнту Зеєбека від ширини квантової ями (КЯ) SnTe з безмежно високими стінками за умови заповнення носіями квантово-розмірних енергетичних зон n=1,2,4; енергія Фермі EF = 0.347 еВ. Фіг. 2. Залежність коефіцієнта Зеєбека S від товщини плівок РbТе у наноструктурі ПМ-1/рРbТе при Т=300К для різного часу витримки на повітрі t: свіжовирощені - 1; 24 год - 2; 50 год - 3. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 Спосіб отримання квантово-розмірного термоелектричного матеріалу, який полягає у тому, що вихідну речовину випаровують у вакуумі із наперед синтезованої напівпровідникової сполуки при температурі випаровування наважки (Т В), осадження здійснюють на наперед підготовлені підкладки (наприклад, слюда мусковіт, поліамід, ситал, КСl, BaF 2, тощо) при температурі підкладки (ТП) протягом заданого часу експозиції (t), що визначає товщину конденсату, який відрізняється тим, що час осадження t задається таким, щоб товщина конденсату складала величину, кратну періоду осциляцій  d термоелектричних матеріалів (коефіцієнта Зеєбека S), який визначається шириною квантової ями, сформованої на основі досліджуваного матеріалу. 2 UA 103530 C2 Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3