¿Cómo pueden funcionar mejor las películas delgadas de nitruro de escandio después de la irradiación?
En un artículo publicado recientemente en la revista Materiales de energía aplicada ACSlos investigadores analizaron la utilidad de los defectos multifuncionales inducidos por irradiación para mejorar las características termoeléctricas de las películas delgadas de nitruro de escandio.
Estudiando: Defectos multifuncionales inducidos por irradiación para mejorar las propiedades termoeléctricas de películas delgadas de nitruro de escandio. Crédito de la imagen: Lionel Alvergnas/Shutterstock.com
Abajo
Durante más de dos décadas, los semiconductores de nitruro del grupo III tradicionales y sus aleaciones de solución sólida han transformado las tecnologías modernas de dispositivos electrónicos de potencia y optoelectrónicos. Los semiconductores de nitruro de wurtzita son intrigantes para su aplicación en diversas industrias debido a su ancho de banda ajustable, alto rendimiento cuántico para la emisión de luz y alto voltaje de ruptura.
Sin embargo, los semiconductores de nitruro del grupo III(A) no son adecuados para algunas aplicaciones futuras. El nitruro de escandio (ScN), un nitruro de metal de transición (TMN) del grupo III (B), tiene muchas ventajas sobre los semiconductores de nitruro del grupo III (A).
Para aplicaciones termoeléctricas ScN, serán beneficiosas las técnicas que minimizan la conductividad térmica sin cambiar el factor de potencia. Según cálculos teóricos recientes, la inserción de defectos nativos como Sc y N vacantes en ScN debería dar como resultado picos asimétricos en las densidades electrónicas de estados cercanos al nivel de Fermi (DOS). Sin embargo, la integración de tales defectos nativos en ScN es difícil debido a su inestabilidad termodinámica y alta energía de formación. El daño inducido por la radiación, por otro lado, puede introducir defectos puntuales en películas delgadas, como se informó recientemente para un BidosTú3 película con irradiación de iones He.
Convolución del pico HRXRD a ScN irradiado. El pico principal de ScN aparece en 2θ = 40,12° y aparece un pico de hombro debido a la expansión de la red causada por los defectos creados por la irradiación. Crédito de la imagen: Rao, D et al., ACS Applied Energy Materials
sobre el estudio
En este estudio, los autores utilizaron irradiación de iones de litio para inducir defectos nativos en películas delgadas de ScN producidas por epitaxia de haz molecular (MBE) e investigaron el impacto de dichos defectos nativos en las propiedades termoeléctricas de ScN. Se destacó la versatilidad de las fallas inducidas por irradiación para adaptar las características termoeléctricas de los semiconductores de nitruro de metal de transición.
El equipo investigó las características termoeléctricas de películas delgadas monocristalinas de ScN depositadas en MBE. Se utilizó epitaxia de haz molecular asistida por plasma para depositar películas delgadas de ScN sobre sustratos de MgO(001). La profundidad de penetración del átomo de litio y el daño inducido por la irradiación en películas ScN se simularon utilizando la herramienta de parada y alcance de iones en la materia. Se utilizó la difracción de rayos X de alta resolución (HRXRD) para investigar los cambios estructurales causados por la irradiación.
Los investigadores midieron propiedades termoeléctricas como la resistividad eléctrica, el coeficiente de Seebeck y el factor de potencia en función de la temperatura en el rango de 400-1000 K utilizando el Linseis LSR-3. Se utilizaron espectros de transmitancia y reflectancia para investigar las variaciones en el espacio óptico. Finalmente, se utilizó un enfoque de termorreflectancia en el dominio del tiempo para determinar la conductividad térmica dependiente de la temperatura.
La cifra termoeléctrica de mérito (zT) de ScN irradiado es ligeramente más alta que la ScN pura a alta temperatura, pero el cambio está dentro de las barras de error. Crédito de la imagen: Rao, D et al., ACS Applied Energy Materials
Comentarios
El coeficiente de Seebeck de las películas delgadas de ScN irradiadas aumentó considerablemente, como predijeron los modelos teóricos. A temperatura normal, la dispersión de fonones por defectos inducidos por radiación redujo la conductividad térmica en más de la mitad a 7 ± 1 W/(mK). A pesar de tener una conductividad eléctrica más baja debido a los defectos de dispersión, las películas delgadas de ScN irradiadas tenían un factor de potencia alto de aproximadamente (1−2) × 10−3 W/(m·Kdos) en el rango de 300-950 K y un pequeño aumento en el total zT.
Los resultados revelaron que los defectos inducidos por la irradiación en ScN aumentaron el coeficiente de Seebeck y redujeron sustancialmente la conductividad térmica. Sin embargo, un aumento en el coeficiente de Seebeck fue seguido por una caída en la conductividad eléctrica. En el rango de 300-950 K, el factor de potencia termoeléctrica de las películas irradiadas se mantuvo fuerte. Además, el recocido de las películas de irradiación restauró las características estructurales y ópticas y, al mismo tiempo, mantuvo las propiedades termoeléctricas.
La conducción de calor del ScN también se redujo en un 50% debido a la dispersión de fonones de las fallas inducidas por radiación. Las películas irradiadas mostraron un alto factor de potencia en el rango de temperatura de 300-700 K, a pesar de su menor conductividad eléctrica. Además, cuando se recocieron las películas de irradiación, se restauraron las características ópticas mientras se mantuvieron la conductividad eléctrica y el coeficiente de Seebeck.
Se presenta la contribución de la red dependiente de la temperatura a la conductividad térmica (red K) de películas ScN puras e irradiadas con dos dosis. Los datos de conductividad térmica se ajustan con el modelo de dispersión Umklapp. Crédito de la imagen: Rao, D et al., ACS Applied Energy Materials
conclusiones
En conclusión, este estudio discutió la utilidad de las fallas inducidas por irradiación en películas delgadas de ScN para aumentar su coeficiente de Seebeck y disminuir la conductividad térmica. El HRXRD se utilizó para examinar defectos puntuales creados al irradiar iones de litio de 35 keV en películas delgadas ScN depositadas en MBE. Las fallas de ScN hicieron que la red se expandiera, lo que resultó en un pico de hombro que se ensanchaba cerca del pico de difracción de 002.
ScN mantuvo su epitaxia y estructura cristalina apretada a pesar de una dosis de irradiación de 1 x 1015 iones/cmdos, según imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM). A todas las temperaturas, la formación proyectada de densidades irregulares de estados cercanos a la energía de Fermi aumentó el coeficiente de Seebeck en más del 12 %.
Los resultados demostraron la versatilidad de las fallas inducidas por irradiación para mantener y mejorar las propiedades termoeléctricas de ScN, que se pueden aplicar a otros sistemas de materiales.
Fuente
Rao, D., Chowdhury, O., Pillai, AIK, et al. Defectos multifuncionales inducidos por irradiación para mejorar las propiedades termoeléctricas de películas delgadas de nitruro de escandio. Materiales Energéticos Aplicados ACS (2022). https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.2c00485
