Microssistema termoeléctrico baseado em teluretos de bismuto e antimónio

Abstract

Este trabalho apresenta o fabrico e caracterização do primeiro microdispositivo planar para arrefecimento por efeito Peltier, em substrato flexível. O dispositivo foi fabricado em poliimida Kapton, com 25 µm de espessura, utilizando filmes termoeléctricos de Bi2Te3 e Sb2Te3, depositados por co-evaporação térmica de bismuto e telúrio ou antimónio e telúrio, respectivamente. A área fria do dispositivo (4 mm2) é arrefecida com quatro pares de junções termoeléctricas, ligadas em série através de contactos de alumínio/níquel. O Kapton foi seleccionado para o substrato, pela sua baixa condutividade térmica (0.15 Wm−1K−1), permitindo maior desempenho do dispositivo. Este substrato proporciona também propriedades mecânicas inovadoras e permite a integração com vários tipos de dispositivos electrónicos. As técnicas de análise EDX, XRD e FTIR confirmam a formação de filmes finos de Bi2Te3 e Sb2Te3. Foram obtidos valores absolutos do coeficiente de Seebeck entre 150 e 250 µVK־1 e resistividade entre 7 e 15 µΩm. Mais de 100 filmes foram fabricados, de forma a correlacionar os parâmetros de deposição e as propriedades electrónicas. Os parâmetros óptimos de fabrico permitiram obter a figura de mérito ZT = 0.85 e ZT = 0.3 em filmes de Bi2Te3 e Sb2Te3, respectivamente. Estes valores são melhores que os obtidos na literatura, para os mesmos materiais, depositados por co-evaporação térmica, sputtering, evaporação flash ou electrodeposição e equivalentes aos obtidos por MOCVD. Os filmes termoeléctricos foram gravados por fotolitografia e corrosão química em solução aquosa de HNO3/HCl e por máscara de sombra. A influência da composição e concentração da solução na gravação é apresentada, e optimizada para obter elevadas taxas de gravação, sem danificar os filmes. Com estas técnicas foram fabricados e caracterizados dispositivos de arrefecimento por efeito Peltier e termopilhas sensores de radiação IV. O dispositivo de arrefecimento Peltier foi analisado por microscopia de infravermelhos, ao ar e em vácuo, e uma diferença de temperatura de 5 ºC foi obtida entre a região fria e a região quente do dispositivo. A sensibilidade de 6.5×10-14 VK-4 foi obtida na termopilha do sensor de radiação IV.

The present work reports on the fabrication and characterization of the first planar Peltier microcooler on a flexible substrate. The microcooler was fabricated on flexible Kapton polyimide substrate, 25 µm in thickness, using Bi2Te3 and Sb2Te3 thermoelectric films deposited by thermal co-evaporation of bismuth and tellurium or antimony and tellurium, respectively. The cold area of the device (4 mm2) is cooled using four pairs of thermoelectric junctions, connected in series with aluminum/nickel contacts. Kapton was chosen as substrate because of its low thermal conductivity (0.15 Wm−1K−1), thus allowing for higher performance of cooler devices. Flexible substrate adds uncommon mechanical properties to the composite film-substrate and enables their integration with many novel types of electronic devices. Energy-dispersive X-ray spectroscopy, X-ray diffraction and Fourier-transform infrared spectroscopy confirmed the formation of Bi2Te3 and Sb2Te3 thin-films. Absolute value of Seebeck coefficient in the range 150-250 µVK-1 and in-plane electrical resistivity of 7- 15 µΩm were measured. More than 100 films were deposited to correlate growing deposition parameters and film electronic properties. Optimal parameters allowed the fabrication of films with figure of merit ZT = 0.85 and ZT = 0.3 for Bi2Te3 and Sb2Te3, respectively. These values are better then the best published results for the same material, under various fabrication methods (thermal co-evaporation, sputtering, flash-evaporation, or electrodeposition) and as good as values of films deposited by MOCVD. The thermoelectric films were patterned by photolithography and wet-etching techniques, using HNO3/HCl-based etchants and by shadow mask technique. Influence of composition and concentration of etchants in the process was optimized to achieve high deposition rates without damage the thin-films. Microcoolers and thermopile infrared sensors were fabricated and tested using these techniques. The performance of Peltier microcooler was analyzed by infrared image microscopy, on still-air and under vacuum conditions, and the 5 ºC temperature difference was obtained between the cold side and the hot side of the device. The IR thermopile sensor was tested in pirometry applications and a sensibility of 6.5×10-14 VK-4 was measured.