Development of thin film thermoelectric properties of noble metal doped bismuth telluride prepared by co-magnetron sputtering

วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก (thermoelectric materials) เป็นวัสดุหนึ่งที่สามารถผลิตไฟฟ้าจากความร้อนและทำความเย็นด้วยกระแสไฟฟ้า ซึ่งเป็นกระบวนการหมุนเวียนทางพลังงานหรือการผันพลังงาน (energy conversion) หรือมีการถ่ายเทพาหะประจุ (charge carrier) ในตัววัสดุเองโดยตรง จึงไม่มีการปล่อยมลพิษสู่สิ่งแวดล้อม นับได้ว่าเป็นแหล่งพลังงานสะอาดชนิดหนึ่งที่น่าสนใจ การประยุกต์ใช้งานโมดูลเทอร์โมอิเล็กทริกในการผลิตไฟฟ้าจะเรียกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก (thermoelectric generator) และถ้าใช้งานโมดูลเทอร์โมอิเล็กทริกในการผลิตความเย็นจะเรียกว่าเครื่องทำความเย็นเทอร์โม อิเล็กทริก (thermoelectric refrigerator) ปัจจุบัน ได้มีการพัฒนาวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกอยู่ 2 แบบ หลักๆ คือ แบบก้อน (bulk) และแบบฟิล์มบาง (thin film) โดยเฉพาะแบบฟิล์มบางมีโอกาสที่จะนำมาประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมสิ่งประดิษฐ์นาโนอิเล็กทรอนิกส์ เช่น เป็นอุปกรณ์รับรู้ความร้อนและการแผ่รังสีความร้อนแบบฟิล์มบาง (Herwaarden and Sarro., 1986; Kozlov., 2005; Kozlov., 2006) [1-3] แหล่งกำเนิดไฟฟ้ากำลังต่ำ (micro-power sources) (Takashiri et al., 2007; Hmood., et al. 2013; Perez-Marin et al., 2014) [4-6] แหล่งกำเนิดไฟฟ้ากำลังต่ำสำหรับเพล็คเมกเกอร์และอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกบนวัสดุฐานรองแบบยืดหยุ่น (Weber et al. 2006; Kim et al., 2014) [7-8] เป็นต้น โดยประสิทธิภาพการผันไฟฟ้าและสมรรถนะการทำความเย็นของโมดูลเทอร์โมอิเล็กทริกจะขึ้นกับสมบัติทางเทอร์โมอิเล็กทริกที่สำคัญ 3 อย่าง คือ สัมประสิทธิ์ซีเบค (Seebeck coefficient: S) สภาพนำไฟฟ้า (electrical conductivity: σ) และสภาพนำความร้อน (thermal conductivity: ) สามารถประเมินค่าแฟคเตอร์กำลัง (power factor: P=S²σ) ค่า Figure of merit (Z=S²σ/ ) หรือค่า Dimensionless figure of merit (ZT=S²σT/  เมื่อ T คือ อุณหภูมิสัมบูรณ์) ถ้าวัสดุใดมีค่า P, Z, หรือ ZT สูงจะเป็นวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่ดี หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งได้ว่า วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่ดีต้องมีค่า S และ σ สูง ขณะที่ค่า  ต้องต่ำ

ปัจจุบันวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกยที่กำลังได้รับความนิยมคือกลุ่มวัสดุบิสมัสเทลลูไรด์ (Bi₂Te₃) โดยมีค่า ZT ≈ 1 และยังพบว่าสมบัติเทอร์โมอิเล็กทริกสามารถพัฒนาขึ้นได้ด้วยการพัฒนาวัสดุให้อยู่ในรูปแบบฟิล์มบาง ซึ่ง  เป็นการพัฒนาต่อยอดการวิจัยเทอร์โมอิเล็กทริกจากแบบก้อนเป็นแบบฟิล์มบางหรือลดมิติของวัสดุ เพื่อพัฒนาสมบัติทางเทอร์โมอิเล็กทริกและการประยุกต์ใช้งานได้หลากหลายมากขึ้น ในด้านการสังเคราะห์วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกแบบฟิล์มบางมีเทคนิคต่างๆ เช่น การระเหยความร้อน (thermal evaporation) การระเหยลำไอออนพัลส์  (pulsed ion-beam evaporation) การสังเคราะห์เลเซอร์พัลส์  (pulsed laser deposition, PLD)  และวิธีแมกนิตรอนสปัตเตอริง เป็นต้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วิธีแมกนิตรอนสปัตเตอริง ถือได้ว่าเป็นวิธิที่กำลังได้รับความสนใจ เนื่องจากเป็นกระบวนการทำให้เกิดไอระเหยทางฟิสิกส์ที่อยู่ภายใต้สุญญากาศจึงไม่เป็นอันตรายต่อผู้วิจัย

ในงานวิจัยนี้ ผู้วิจัยมีความสนใจที่จะศึกษาสมบัติเทอร์โมอิเล็กทริกของฟิล์มบาง Bi₂Te₃ ที่มีการเจือโลหะมีตระกูลด้วยวัสดุแพลลาเดียมและแพลตตินัมโดยเตรียมผ่านกระบวนการแมกนีตรอนสปัตเตอริ่งแบบร่วม เพื่อศึกษาลักษณะทางกายภาพและสมบัติเทอร์โมอิเล็กทริกของฟิล์มบางที่เตรียมได้