Development of Sb2Te3 thin film thermoelectric properties of noble metal for thin film thermoelectric module fabrication

สืบเนื่องจากโครงการการวิจัย “การพัฒนาสมบัติเทอร์โมอิเล็กทริกของฟิล์มบาง Bi₂Te₃ ที่มีการเจือโลหะมีตระกูลด้วยกระบวนการแมกนีตรอนสปัตเตอริงร่วม” ซึ่งพบว่าการเจือวัสดุแพลลาเดียม (Palladium; Pd) และแพลตตินัม (Platinum; Pt) ในปริมาณที่เหมาะสมสามารถเพิ่มประสิทธิภาพทางเทอร์โมอิเล็กทริกของฟิล์มบาง Bi₂Te₃ ได้ ซึ่งฟิล์มบาง Bi₂Te₃ ที่พัฒนาขึ้นมีคุณสมบัติเป็นวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกชนิดเอ็น (n-type thermoelectric) และยังพบว่าการนำวัสดุโลหะมีตระกูลทั้งสองมาเจือทำให้ได้วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่ดีที่อุณหภูมิสูงขึ้น จึงเป็นแนวทางนำไปสู่การประดิษฐ์เป็นอุปกรณ์เทอโมอิเล็กทริกฟิล์มบางที่มีประสิทธิภาพสูงและทนทานต่อการใช้งานจริงที่อุณภูมิสูงขึ้นได้ ปัจจุบันได้มีการพัฒนาวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกแบบฟิล์มบาง (Thin film thermoelectric) ซึ่งมีโอกาสที่จะนำมาประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมด้านนาโนอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ อย่างกว้างขวาง โดยความน่าสนใจในการพัฒนาวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกคือการพัฒนาหรือปรับปรุงสมบัติทางเทอร์โมอิเล็กทริกของวัสดุ ซึ่งสมบัติที่สำคัญ 3 ประการ คือ 1) สัมประสิทธิ์ซีเบค (Seebeck coefficient: S) 2) สภาพนำไฟฟ้า (electrical conductivity: σ) และ 3) สภาพนำความร้อน (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 สำหรับวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกมีสมบัติเป็นวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่ดีคู่กับวัสดุบิสมัสเทลลูไรด์คือแอนติโมนีเทลลูไรด์ (Sb₂Te₃) ที่มีค่า ZT ≈ 1 เช่นเดียวกับ Bi₂Te₃  ยิ่งไปกว่านั้นแอนติโมนีเทลลูไรด์ยังมีคุณสมบัติเป็นวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกชนิดพี (p-type thermoelectric) ที่สามารถเป็นวัสดุคู่พี-เอ็น สำหรับการพัฒนาเป็นอุปกรณ์หรือมอดูลเทอร์โมอิเล็กทริกได้  ดังนั้นงานวิจัยนี้ คณะผู้วิจัยจึงสนใจที่จะพัฒนาสมบัติเทอร์โมอิเล็กทริกของฟิล์มบาง Sb₂Te₃ ที่มีการเจือโลหะมีตระกูลด้วยวัสดุแพลลาเดียมและแพลตตินัมโดยเตรียมผ่านกระบวนการแมกนีตรอนสปัตเตอริ่งแบบร่วม เพื่อศึกษาลักษณะทางกายภาพและสมบัติเทอร์โมอิเล็กทริกของฟิล์มบางที่เตรียมได้ไปสู่การประดิษฐ์เป็นมอดูลเทอร์โมอิเล็กทริกฟิล์มบางสำหรับการประยุกต์ใช้งานด้านการผลิตไฟฟ้าจากความร้อนต่อไป