Caracterização estrutural e elementar de filmes de ZnSb e InSb + ZnSb depositados por magnetron sputtering

Abstract

No atual contexto de crise climática, há um grande interesse em formas alternativas de geração de energia elétrica e em mecanismos para o aumento da eficiência energética. Nesse cenário, a nanostruturação de materiais visando à maximização de propriedades desejadas tem adquirido grande relevância. Um tipo de material que vem despertando considerável interesse são os materiais termoelétricos. Dentre eles, destacam-se o InSb e o ZnSb, que apresentam boa performance termoelétrica. Este trabalho tem como objetivo produzir filmes de ZnSb + InSb por meio da técnica de magnetron sputtering e caracterizá-los estruturalmente. A caracterização estrutural visa identificar as fases cristalinas presentes por meio da técnica de Grazing Incidence Xray Diffraction (GIXRD), além de obter a distribuição e composição elementar utilizando Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), com o auxílio da técnica complementar de Particle Induced X-ray Emission (PIXE) e por fim caracterizar as superfícies com X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). A deposição dos filmes foi realizada por magnetron sputtering. Após a deposição, os filmes foram submetidos a tratamentos térmicos com o objetivo de induzir a formação de fases cristalinas. Foram depositados e analisados filmes de ZnSb e filmes com a mistura ZnSb + InSb com diferentes concentrações de InSb. A análise de GIXRD revelou a presença da fase α-Zn4Sb3 em todas as amostras submetidas a tratamento térmico, também foi detectada a fase Zinc-Blend de InSb em algumas amostras contendo In, porém o sinal correspondente a fase é bastante fraco. A partir das analise de RBS, PIXE e XPS, foram determinadas as distribuições elementares das amostras, indicando a presença de um filme de ZnO sobre um filme de todos elementos depositados e para algumas amostras foi identificada uma camada intersticial de ZnO.

In the current context of the climate crisis, there is strong interest in alternative forms of electric power generation and in mechanisms to increase energy efficiency. In this scenario, the nanostructuring of materials aimed at maximizing desired properties has gained significant relevance. One class of materials that has attracted considerable interest is thermoelectric materials. Among them, InSb and ZnSb stand out due to their good thermoelectric performance. The objective of this work is to produce ZnSb + InSb thin films using the magnetron sputtering technique and to perform their structural characterization. The structural characterization aims to identify the crystalline phases present using the Grazing Incidence X-ray Diffraction (GIXRD) technique, as well as to determine the elemental distribution and composition using Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), with the aid of the complementary Particle Induced X-ray Emission (PIXE) technique, and finally to characterize the surfaces using X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). The films were deposited by magnetron sputtering. After deposition, the films were subjected to thermal treatments in order to induce the formation of crystalline phases. ZnSb films and ZnSb + InSb mixed films with different InSb concentrations were deposited and analyzed. GIXRD analysis revealed the presence of the α-Zn4Sb3 phase in all samples subjected to thermal treatment. The zinc-blende phase of InSb was also detected in some samples containing In; however, the corresponding signal is quite weak. From the RBS, PIXE, and XPS analyses, the elemental distributions of the samples were determined. The deposited films can be divided into a main homogeneous layer containing all the deposited elements and possibly their oxides, and a thin zinc oxide layer on the surface. For some samples, the RBS spectra suggest the presence of another ZnO layer between the substrate and the film.