BiTeSb tabanlı ince filmlerin yapısal, elektriksel ve termoelektrik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of structural, electrical and thermoelectric properties of bitesb based thin films
Yazar: MEHMET ÇETİN
Danışman: PROF. DR. ERCÜMENT YÜZÜAK
Recep Tayyip Erdoğan Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Bizmut = Bismuth ; Termoelektrik = Thermoelectric ; Termoelektrik jeneratör = Thermoelectric generator ; Yarı iletken ince filmler = Semiconductor thin films

Özet:
Modern çağda önemini giderek artıran teknolojik ve dijital gelişmeler ile birlikte, birçok alanda oldukça hızlı gelişmeler yaşanmıştır. Yaşanan bu gelişmeler sürekli daha büyük bir enerji talebini doğurmakta ve insanoğlu bu talebi karşılamak için kullandığı klasik yöntemler sebebiyle gezegenimize zarar vermektedir. Bu sorunun önüne geçmek ve talep edilen enerjiyi karşılayabilmek için çalışan bilim insanları, gelişen teknolojinin olumlu etkilerini kullanmış ve bu doğrultuda yeni enerji teknolojileri ve enerji üretim sistemlerini araştırmışlardır. Bu amaç doğrultusunda ortaya çıkan, atık enerjiyi hasat etme yeteneğine sahip jeneratörler ve nanojeneratörler oldukça ilgi çekici başlıklar arasında yer almaktadır. Yenilenebilir, temiz, atık üretmeyen ve çok çeşitli formlarda üretilebilen bu enerji hasatçıları arasında oldukça dikkat çekici bir yöntem olan ve termoelektrik etkiyi kullanarak atık ısının hasat edilebilmesini sağlayan ince film termoelektrik nanojeneratörler son derece umut vaadetmektedir. Bu tez çalışmasında da atık ısıdan yararlanarak enerji üretme yeteneğine sahip BiTeSb tabanlı yarıiletken termoelektrik ince filmler üretilmiş ve özellikleri incelenmiştir.
Çalışmamızda yarıiletken BiTeSb tabanlı termoelektrik ince filmler, manyetik alanda sıçratma yöntemi kullanılarak, silisyum (Si) alttaşlar üzerine biriktirildi. 3, 5, 7, 10, 12 ve 15 mTorr sıçratma basınçlarında ve 30, 50, 70 ve 100 W sıçratma güçlerinde büyütülen BiTeSb ince filmlerin yapısal, elektriksel ve termoelektrik özellikleri incelendi. Yapısal özelliklerin incelenebilmesi için taramalı elektron mikroskobu (SEM), Atomik kuvvet mikroskobu (AFM), Kelvin uç kuvveti mikroskobu (KPFM), X-ışını kırınımı (XRD) ve X-ışını yansıması (XRR) teknikleri kullanıldı. Optimum üretim parametreleri olarak 5, 7 ve 10 mTorr sıçratma basınçlarında ve 50W sıçratma gücünde üretilen ince filmler seçilmiş ve kullanılan bu karakterizasyon teknikleri ile yapısal ve yüzey morfolojik özellikleri belirlendi. Elektriksel ve termoelektrik çıktıları için ise direnç ölçüm sistemi ve Seebeck ölçüm sistemi kullanılmıştır. BiTeSb ince filmlerin kristal yapısının belirlenebilmesi için XRD desenleri 10° < 2θ < 110° aralığında ve Δ2θ = 0,02° derecelik adımlarla alınmıştır. XRD tekniği ile incelenen ince filmlerin, tüm sıçratma basınçlarında BiTeSb'e ait (015) ve (110) yansıma pikleri net bir şekilde gözlenmiş ve Rhombohedral kristal yapısına sahip olduğu belirlenmiştir. 5mTorr sıçratma basıncında ve 50W sıçratma gücünde üretilen ince film kalibrasyon örneği olarak seçilmiş ve XRR tekniği kullanılarak yapılan incelemelerde film kalınlığı ~20 nm; yüzey pürüzlülüğü ise 0.7 nm olarak ölçülmüştür. Üretilen diğer filmlerin kalınlıkları bu kalibrasyona göre hesap edilmiş ve ~100 nm olduğu görülmüştür. Üretilen ince filmlerin elektriksel ve termoelektrik ölçümleri sonucunda ise, üretilen filmler arasından en yüksek Seebeck katsayısı 236.02 μV⁄K değeri ile 10 mTorr sıçratma basıncında üretilen ince filmde; en yüksek elektriksel iletkenlik değeri ise 2,27×10^5   S⁄m ile, 5 mTorr basınçta üretilen filmde ölçülmüştür. Termoelektrik çıkış gücü incelendiğinde ise en yüksek değer, 4.52×10^(-3)   W⁄(m.K^2 ) olarak 7 mTorr sıçratma basıncında üretilen ince filmde gözlenmiştir.

Abstract:
Along with technological and digital developments, which have become increasingly important in the modern age, there have been rapid developments in many areas. This development leads to ever greater demand for energy, and human beings damage our planet due to the classical methods they use to meet this demand. Scientists working to prevent this problem and meet the energy demand have used the positive effects of developing technology and researched new energy technologies and energy production systems in this respect. There are many new approaches emerging in accordance with this purpose, and among them, generators and nanogenerators capable of harvesting waste energy are among the most interesting topics. Among these renewable, clean, waste-free energy harvesters that can be produced in a wide variety of forms, thin film thermoelectric nanogenerators, which are a very remarkable method and enable the harvesting of waste heat using the thermoelectric effect, are extremely promising. In this study, BiTeSb semiconductor based thermoelectric thin films capable of generating energy by utilizing waste heat were produced and their properties were investigated.
In this study, semiconductor BiTeSb based thermoelectric thin films were deposited on silicon (Si) substrates using the magnetron sputtering method. Structural, electrical and thermoelectric properties of BiTeSb thin films grown at sputtering pressures of 3, 5, 7, 10, 12 and 15 mTorr and sputtering powers of 30, 50, 70 and 100 W were investigated. Scanning electron microscopy (SEM), Atomic force microscopy (AFM), Kelvin probe force microscopy (KPFM), X-ray diffraction (XRD) and X-ray reflection (XRR) techniques were used to investigate the structural features. Thin films produced at 5, 7 and 10 mTorr sputtering pressures and 50W sputtering power were selected as the optimum production parameters, and their structural and surface morphological properties were determined with these characterization techniques used. For electrical and thermoelectric outputs, the resistivity measurement system and Seebeck measurement system were used. In order to determine the crystal structure of BiTeSb thin films, XRD patterns were taken in the range of 10° < 2θ < 110° and in steps of Δ2θ = 0,02°. (015) and (110) reflection peaks of BiTeSb were clearly observed at all sputtering pressures of the thin films examined by the XRD technique and it was determined that they had a Rhombohedral crystal structure. The thin film produced at 5mTorr sputtering pressure and 50W sputtering power was chosen as the calibration sample, and in the examinations made using the XRR technique, the film thickness was ~20 nm; the surface roughness was measured as 0.7 nm. The thickness of the other films produced was calculated according to this calibration and was found to be ~100 nm. As a result of electrical and thermoelectric measurements of the produced thin films, the highest Seebeck coefficient among the produced films was 236.02 μV⁄K  value in the thin film produced at 10 mTorr sputtering pressure; the highest electrical conductivity value was measured at 2,27×10^5   S⁄(m )in the film produced at 5 mTorr pressure. When the thermoelectric output power is analyzed, the highest value of 4.52×10^(-3)   W⁄(m.K^2 ) was observed in the thin film produced at a sputtering pressure of 7 mTorr.