Bi tabanlı yarıiletken malzemelerin termoelektrik özelliklerinin boyuta bağlı olarak değişiminin incelenmesi
Investigation of size dependent thermoelectric properties ofBi based semiconductor materials
Yazar: MERT MİRAÇ ÇİÇEK
Danışman: PROF. DR. ŞİNASİ BARIŞ EMRE
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, magnetron saçtırma yöntemi ile farklı kalınlıklarda p-tipi (BiSb)2Te3 ince filmler üretilmiştir. Üretim parametreleri optimize edilmiş ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile yüzey ve kompozisyon analizi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen filmlerin kompozisyonu Bi0.9Sb30.5Te60.5 olarak belirlenmiş ve 50 nm kalınlığında Cr tohum tabakası üzerine 150 nm, 500 nm, 1µm, 2µm kalınlığında büyütülmüştür. Büyütülen filmlerin yapısal analizleri X-ışını kırınımı (XRD) ile incelenmiş ve kristal yönelimleri belirlenmiştir. R-3m hegzagonal fazda kristallenen filmlerin ana yönelim düzlemi (015) olarak analiz edilmiş ve parçalı yönelimler kalınlık azaldıkça artış göstermiştir. Taşınım parametreleri olarak Seebeck katsayısı ve elektriksel iletkenlik sıcaklığa bağlı olarak LSR-3 sisteminde ölçülmüş ve elde edilen datalara bağlı olarak güç faktörleri (PF) hesaplanmıştır. Taşınım parametrelerinin hesapları için BiSbTe3 sistemi seçilmiş, yapısal optimizasyon yoğunluk fonksiyoneli teorisi (DFT) ile hesaplanmıştır. Elde edilen yapının katman kalınlığı 7.48 nm olacak şekilde optimize edilmiş ve farklı katman kalınlıklarında taşınım parametreleri Boltzmann taşınım denklemleri (BTE) ile çözülmüştür.

Teorik hesaplamalar ile katman kalınlığına bağlı elektriksel bant yapıları ve elektriksel taşınım parametreleri hesaplanmıştır. Yığın (bulk) yapıdan tek katmanlı yapıya doğru gidildiğinde bant aralığının azaldığı bulunmuş, benzer şekilde güç faktöründe azalış hesaplanmıştır. Cr tohum tabakası termoelektrik özellikleri arttırmış ve kalınlık azaldıkça güç faktöründe artış gözlenmiştir. Maksimum PF değeri 150 nm film için ölçülmüş ve 91.5 mW/mK2 olarak bulunmuştur. Cr tohum tabakası ile termoelektrik özelliklerin geliştirildiği literatüre kazandırılmıştır

Abstract:
In this thesis study, p-type (BiSb)2Te3 thin films of varying thicknesses were fabricated using the magnetron sputtering technique. The syntesized parameters underwent optimization, and surface and composition analyses were conducted using a scanning electron microscope (SEM). The composition of the obtained films was identified as Bi0.9Sb30.5Te60.5, and they were grown on a 50 nm thick Cr seed layer at thicknesses of 150 nm, 500 nm, 1µm, and 2µm. Structural analyses of the grown films were performed via X-ray diffraction (XRD), revealing the main orientation plane (015) of the films crystallized in the hexagonal phase, predominantly showing R-3m orientation, with segmented orientations increasing as the thickness decreased. Transport parameters, namely Seebeck coefficient and electrical conductivity, were measured using the LSR-3 system at various temperatures, and power factors (PF) were computed based on the collected data. The BiSbTe3 system was employed to calculate transport parameters, while structural optimization was carried out using density functional theory (DFT), determining an optimized layer thickness of 7.48 nm. The resulting structure's transport parameters at different layer thicknesses were resolved using Boltzmann transport equations (BTE).

Theoretical calculations were utilized to determine electrical band structures and electrical transport parameters relative to layer thickness. It was observed that transitioning from the bulk structure to the single-layer structure led to a reduction in the band gap, correlating with a similar decrease in the calculated power factor. The inclusion of the Cr seed layer augmented the thermoelectric properties, showcasing an increase in the power factor as the thickness decreased. The maximum PF value, measuring 91.5 mW/mK2, was recorded for the 150 nm film. The literature has contributed evidence that the thermoelectric properties are enhanced with the inclusion of the Cr seed layer.