Разработка технологии создания высокоэффективных тонкопленочных термоэлектрических материалов методом импульсного лазерного осаждения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат наук Шупенев Александр Евгеньевич

• Шупенев Александр Евгеньевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Шупенев Александр Евгеньевич

Введение

Глава 1. Особенности производства и применения термоэлектрических материалов в виде тонких пленок

1.1. Изделия на основе тонкопленочных термоэлектрических материалов

1.2. Конструкции изделий на основе термоэлектрических тонких пленок

1.3. Требования к получаемым термоэлектрическим пленкам

1.4. Эффективность термоэлектрических материалов в виде тонких пленок

1.5. Анализ методов создания термоэлектрических материалов в виде пленок

1.6. Теоретические особенности лазерного осаждения пленок

1.7. Анализ существующего опыта получения термоэлектрических материалов в виде пленок методом импульсного лазерного осаждения

Выводы по Главе

Цель и задачи диссертации

Глава 2. Используемые и разрабатываемые методы и оборудование

2.1. Реализация метода лазерного осаждения термоэлектрических материалов

2.1.1. Модуль импульсного лазерного осаждения

2.1.2. Используемые материалы

2.2. Используемое измерительное оборудование

2.3. Разработка лабораторного измерительного стенда

2.3.1. Метод определения коэффициента Зеебека

2.3.2. Метод определения электрического сопротивления

2.3.3. Конструкция измерительного стенда

Выводы по Главе

- 3 - Стр. Глава 3. Теоретическое и экспериментальное исследование создаваемых термоэлектрических пленок

3.1. План исследовательской части

3.2. Разработка предсказательной модели распределения толщины материала

3.3. Расчет энергии лазерной обработки

3.4. Исследование влияния технологических параметров на термоэлектрические свойства пленок

3.4.1. Планирование экспериментальной части

3.4.2. Влияние технологических параметров на термоэлектрические свойства

3.4.3. Влияние отжига на термоэлектрические свойства

3.5. Анализ результатов

Выводы по Главе

Глава 4. Создание макетных образцов приемников излучения

4.1. Постановка требований к характеристикам изделий

4.2. Выбор материалов чувствительной части приемника

4.3. Разработка конструкции макетных образцов

4.4. Описание методики испытаний приемников излучения

4.5. Проведение испытаний созданных образцов

Выводы по Главе

Общие выводы и заключение

Список литературы

Приложение

Основные условные обозначения и сокращения

X - длина волны лазерного излучения, м;

Е - плотность энергии лазерного излучения, Дж/см2;

Т - температура нагревателя подложки, °С;

Р - давления газовой среды в реакторе, торр

Б - расстояние между зондами, м;

г - радиус мишени, м;

Я - радиус подложки, м;

к - толщина термоэлектрического материала, м;

а - коэффициент термоэдс, В/°С;

Р - удельное электрическое сопротивление, Ом-м;

а - электропроводность, Ом-1 •м-1;

к - теплопроводность, Вт-м-°С;

РБ - электрический фактор мощности, Вт- °С-2м-1;

Ъ - параметр термоэлектрической добротности, °С-1;

ЪТ - безразмерный параметр термоэлектрической добротности;

Кп - коэффициент преобразования, В/Вт;

т - постоянная времени, с;

п - количество термопар, шт. ;

ис - величина электрического напряжения сигнала, В;

1 - эффективная длина термоэлектрических дорожек, м;

А - площадь приемной площадки, м2;

С - удельная теплоемкость, Дж-кг-1- °С-1;

ИЛО - импульсное лазерное осаждение;

ИК - инфракрасный спектр;

ПИ - приемник излучения;

РТН - радиационный термоэлемент напыленный.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии создания высокоэффективных тонкопленочных термоэлектрических материалов методом импульсного лазерного осаждения»

Введение

Развитие многих отраслей техники тесно связано с поиском и внедрением более эффективных материалов [1]. Комплекс термоэлектрических явлений был открыт в середине 19 века, но широкое практическое применение нашлось спустя более века, когда были открыты высокоэффективные полупроводниковые термоэлектрические материалы. В настоящее время термоэлектрические технологии нашли свое практическое применение в различных отраслях отечественной промышленности [2], главным образом в генерации электрической энергии, принудительном температурном воздействии и чувствительных элементах. Традиционно в приведенных областях используются объемные термоэлектрические материалы, получаемые из кристаллических слитков сложной стехиометрии механическими методами, обладающие высоким уровнем термоэлектрических свойств.

В настоящее время имеется значительный интерес к термоэлектрическим материалам в виде тонких (толщиной менее 1 мкм) пленок, которые применяются в чувствительных элементах радиационного типа [3], а также имеется ряд перспективных новых направлений, таких как создание гибких и вибрационно стойких термоэлектрических генераторов [4] [5] [6], микрокалориметрия в экспресс биолабораториях [7] [8], высоколокализованные системы охлаждения [9] [10] и др.

Для создания термоэлектрической пленки толщиной менее 1 мкм требуется применение вакуумных технологий нанесения материала. В комнатном диапазоне температур наиболее используемым материалом являются многокомпонентные твердые растворы на основе теллурида висмута с легирующими компонентами по причине наибольшей эффективности термоэлектрического преобразования [11]. Использование вакуумных методов нанесения таких материалов затруднено из-за сложности обеспечения стехиометрического состава конденсированного материала в виде тонкой пленки на некоторой площади. По этой причине на

сегодняшний день зачастую в промышленности применяются менее эффективные однокомпонентные термоэлектрические материалы.

Одним из современных методов нанесения материалов в виде тонких пленок сложной стехиометрии является метод импульсного лазерного осаждения [12]. Данный метод использовался при напылении рентгеновских зеркал в работах Салащенко Н.Н. и Гапонова С.В. [13] [14], сверхпроводников на основе YBaCuO [15] и на сегодняшний день используется при решении разнообразных исследовательских задач, в том числе таких сложных и передовых как создание топологических изоляторов [16] [17].

В настоящей работе ставится задача исследования возможности создания высокоэффективных термоэлектрических материалов в виде тонких пленок, обладающих достаточным уровнем однородности свойств на заданной площади, с помощью метода импульсного лазерного осаждения с целью улучшения характеристик приемников излучения, а также создания технологического задела для дальнейшего развития перспективных направлений использования высокоэффективных термоэлектрических материалов в виде тонких пленок.

Целью работы является разработка технологического процесса получения пленок p-(Bi,Te)Sb и n-(Bi,Te)Se, на полиимидном материале методом импульсного лазерного осаждения.

Для достижения цели были решены следующие задачи:

1. Анализ мирового опыта нанесения и использования

термоэлектрических материалов на основе теллурида висмута в виде тонких пленок, формулирование требований к получаемым пленкам и выбор технологии получения пленок.

2. Разработать и экспериментально проверить математическую модель процессов, связанных с формированием высокоэффективных термоэлектрических пленок, определяющую зависимости морфологических характеристик получаемых пленок и условий роста.

3. Создать лабораторный комплекс для локального измерения удельного электрического сопротивления и коэффициента Зеебека.

4. Изготовить образцы пленок р-(В^Те^Ь и п-(В^Те^е на полиимидных подложках и исследовать влияние условий роста на термоэлектрические свойства.

5. Анализ перспектив и возможностей практической реализации термоэлектрических пленок на основе разработанного технологического процесса.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана математическая расчетная модель, позволяющая определить профиль термоэлектрического материала в диапазоне толщин от 10 до 1000 нм, получаемого методом импульсного лазерного осаждения, с учетом вращения подложки, параметра внесоосности и закона движения точки лазерной обработки.

2. Получена экспериментальная зависимость коэффициентов Зеебека и удельного электрического сопротивления трехкомпонентных термоэлектрических материалов на основе р-(В1,Те)8Ь и п-(В1Те)8е, формируемых на полиимидном основании в виде тонких пленок методом импульсного лазерного осаждения от температуры роста, дистанции разлета продуктов лазерной абляции и давления окружающей среды. Согласно данной зависимости, в области температур от 250 до 400 °С и при давлении от 0.1 до 1.0 торр достигается максимальный уровень термоэлектрических свойств получаемого материала.

Практическая ценность заключается в следующем:

1. Разработаны измерительный стенд и необходимые методики для локального и единовременного определения величины коэффициента Зеебека и удельного электрического сопротивления наноразмерных термоэлектрических пленок, сформированных на гибкой подложке.

2. Определены наиболее эффективные сочетания технологических параметров процесса импульсного лазерного осаждения, позволяющие получать субмикронные термоэлектрические пленки трехкомпонентных термоэлектрических материалов на основе теллурида висмута на полиимидном материале со значениями коэффициента Зеебека до 200 мкВ/К.

3. Разработаны и испытаны серии макетных образцов приемников излучения с коэффициентом преобразования, превышающим 0.75 В/Вт за счет использования в своей основе высокоэффективных термоэлектрических материалов в виде тонких пленок.

Практическая и экспериментальная части работы выполнялись в МГТУ им. Н. Э. Баумана. Разработка и испытание макетных образцов приемников излучения проводились совместно с ОИВТ РАН и ФГУП ВНИИОФИ.

Достоверность проведенных исследований обеспечивается использованием современного технологического лазерного оборудования, известных и широко используемых методик определения термоэлектрических параметров, статистической обработкой результатов измерений и соответствием требований ГОСТ при проведении испытаний макетных образов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на международной научно-технической конференции «Научные принципы и подходы, методы и технологии, системный анализ и статистическая обработка данных о создании, диагностике, модернизации композиционных материалов и покрытий с нанодобавками, работающих в условиях динамического и высокоэнергетического нагружения». Москва, 2013; международной научно-технической конференции «Лазеры и лазерно-информационные технологии: Фундаментальные проблемы и применения». Шатура (МО), 2014; всероссийской научно-технической конференции «Будущее машиностроения России». Москва, 2012,2013.

Публикации. Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 4-х статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4-х патентах на изобретение № 2516632, № 2657283, № 2601209, № 2632729, 2-х патентах на полезную модель № 153533, № 167784 и 2-х отчетов по НИР, проводимых за счет поддержки Фонда Содействия Инновациям.

Диссертация состоит из списка основных условных сокращений и обозначений, введения, четырех глав, общих выводов, заключения, списка

литературы из 120 наименований и приложения. Работа содержит 131 страницу машинописного текста, в том числе 27 таблиц и 41 рисунок.

В введении обоснована актуальность темы, указаны цель работы, научная новизна, практическая ценность работы, сведения об апробации работы и публикациях. Актуальность выбранной темы связана с необходимостью выпуска современных отечественных средств измерения и малогабаритных источников тока, а также развитием ряда новых направлений в приборостроении, базирующихся на использовании комплекса термоэлектрических явлений. В связи с ней остро стоит проблема разработки отечественного технологического процесса получения термоэлектрических материалов в виде тонких пленок, обладающих высоким уровнем термоэлектрических свойств.

В первой главе представлены результаты анализа современного состояния исследований в области получения и использования термоэлектрических материалов в виде тонких пленок. Проведен анализ технологических особенностей импульсного лазерного осаждения материалов.

Во второй главе описано используемое технологическое оборудование для лазерного нанесения термоэлектрического материала в вакууме, используемые методики и конструкция лабораторного стенда для локального измерения термоэлектрических параметров.

В третьей главе представлена расчетная модель профиля толщины термоэлектрического материала и результаты её экспериментальной проверки методами гравиметрии и профилометрии. Проведен расчет энергии лазерной обработки. Представлены результаты исследования термоэлектрических свойств экспериментально полученных образцов термоэлектрических пленок р- и п- типов проводимости.

В четвертой главе представлен проектный расчет характеристик приемников излучения на основе пленочных термоэлементов термоэлектрического типа, а также варианты их конструктивного оформления. Приведены методы и результаты испытаний созданных серий макетных приемников излучения.

Глава 1. Особенности производства и применения термоэлектрических материалов в виде тонких пленок

1.1. Изделия на основе тонкопленочных термоэлектрических материалов

Существуют разные области применений термоэлектрических преобразователей и, соответственно, в каждом случае существует определенный набор возможностей и ограничений, специфичных для каждой из них. Можно выделить два наиболее развивающихся направления тонкопленочных термоэлектриков - сенсоры и генераторы.

Особой областью применения для тонкопленочных термоэлектриков является создание различного типа сенсоров. В отличие от изготавливаемых модулей по традиционной технологии, тонкопленочные термоэлектрики позволяют достичь требований чувствительности и миниатюрности, выдвигаемых электронной промышленностью. Далее будут рассмотрены более подробно виды, принципы действия и области применений таких термоэлектрических сенсоров.

Широкодиапазонные детекторы излучений

Детекторами электромагнитных волн, лежащих в спектральном диапазоне от ультрафиолетового до дальнего ИК излучений, будут называться в дальнейшем приемники излучения (ПИ). С точки зрения разработчика ПИ поглощение фотонов чувствительным материалом приводит либо к повышению его температуры, либо к появлению новых квантовых частиц.

На Рис. 1 показана схема ПИ термоэлектрического типа. Такой ПИ состоит из основания, обладающего сравнительно большой тепловой массой, на котором сформированы «холодные» спаи. На основании крепится тонкая мембрана, обладающая низкой теплоемкостью и теплопроводностью, на поверхности которой располагаются «горячие» спаи. Спай представляет собой область, в которой два полупроводниковых материала имеют общий омический контакт и

называется термоэлементом. Устройство ПИ термоэлектрического типа изображено на Рис. 1.

Рис. 1.

Схема термоэлектрического приемника излучения

ИК излучение поглощается или испускается мембраной. При этом происходит изменение ее температуры. Поскольку расположенные на мембране горячие спаи имеют слабый теплоотвод, возникает разность температур между ними и холодными спаями, которая приводит к возникновению электрического напряжения благодаря термоэлектрическим явлениям. Температура мембраны зависит от ее теплоемкости, теплопроводности и мощности ИК излучения. Для получения термоэлементов с высокой чувствительностью и низким уровнем шума спаи должны изготавливаться из материалов, обладающих высоким коэффициентом Зеебека, низкой теплопроводностью и низким объемным удельным электрическим сопротивлением. ПИ размещается в герметичном металлическом корпусе с прочным прозрачным окном. Выходное напряжение ПИ пропорционально попадающему на него излучению.

Основное предназначение ПИ термоэлектрического типа - измерение энергетических параметров излучений среднего и дальнего ИК диапазонов

спектра. Данный принцип широко используется в измерительных приборах для определения энергетических и временных характеристик лазерного излучения. Существует большое количество лазерных приемников излучения термоэлектрического типа, выпускаемых серийно такими крупными зарубежными фирмами как Ophir Photonics (Израиль), Thorlabs Inc. (США), Newport Corp. (США), Coherent Inc. (США) и др. Отечественное производство лазерных приемников излучения на текущий день развито слабо.

Термоэлектрические приемники также устанавливаются на спутниковые метеостанции [18] [19]. Замена измерительного оборудования на основе ИК радиометров (PMIRR) на такое с использованием термоэлектрических датчиков позволило в орбитальном аппарате марса сократить вес модуля с 40 кг до 9 кг, а потребление с 40 Вт до 10 Вт [20].

В диссертационной работе А.С. Ильина [21], посвященной разработке отечественных оптико-физических измерителей на основе пленочных термоэлектрических материалов были сформулированы следующие требования:

«Термоэлектрические материалы, предназначенные для изготовления напылённых термопар, должны удовлетворять следующим требованиям:

- иметь высокие значения добротностей в интервале рабочих температур;

- термо э.д.с. должна быть высокой, а удельное сопротивление - низким;

- материалы должны легко распыляться в вакууме без потери свойств;

- в напылённом состоянии они должны обладать высокой долговременной стабильностью характеристик».

Также в работе А.С. Ильина отмечается критическая важность постоянства термоэлектрических свойств по площади пленок при характерных толщинах 300 нм.

Большинство ключевых параметров ПИ термоэлектрического типа определяется свойствами использованных термоэлектрических материалов, в связи с чем особенно актуальны технологические решения, позволяющие

получать высокоэффективные термоэлектрические материалы в виде тонких пленок.

Газовые сенсоры

Принцип действия термоэлектрических газовых сенсоров основан из спектральном измерении воздушной массы с использованием термоэлектрических ИК детекторов и схематично показан на Рис. 2.

7 . ■ •

<■■ /

Рис. 2.

Принцип действия термоэлектрического газового сенсора.

Излучение, создаваемое источником 1 проходит через исследуемый газ 2 и через фильтр 3 попадает на термоэлектрический детектор 4. Фильтр подбирается под длину волны поглощения, характерную для исследуемого газа.

Подобные газовые сенсоры находят широкое применение в отрасли промышленной безопасности на химических производствах. Преимущества таких систем обусловлены более низкой стоимостью по сравнению с традиционными газовыми датчиками и более высокой надежностью. Отдельно стоит отметить возможность многоканальных измерений. Благодаря широкому диапазону детектируемых длин волн, для одновременного проведения измерений на нескольких длинах волн меняются только используемые фильтры.

Каталитические газовые датчики могут применяться для детектирования кислорода с точностью не хуже резистивных [22], системах безопасности при слежении за утечкой водорода [23] [24], при контроле состояния катализатора

дизельных двигателей [25]. Чувствительность, быстродействие и другие параметры таких газовых датчиков напрямую зависят от параметров использованных термоэлектрических материалов (коэффициента Зеебека, удельного электрического сопротивления, теплоемкости, теплопроводности и др.)

Микрокалориметры

Измерители микрофлюидики все больше используются в областях биохимии, молекулярной биологии, генной инженерии, микроэлектронике и биозащите [26]. Системы для микрофлюидики обычно имеют микрометровую точность для обеспечения ламинарного течения исследуемых жидкостей. Отличительной чертой микрокалориметров перед традиционными калориметрическими системами является возможность изучения термодинамики химических реакций, они требуют меньших объемов и обладают высоким быстродействием. Экспресс биолаборатории востребованы также для обеспечения безопасности в местах массового пребывания людей.

Принцип действия микрофлюидных измерителей заключается в измерении тепла, выделяемого при взаимодействии исследуемого вещества с катализатором. Например, данный метод позволяет измерить концентрацию Л-Глутамата, аминокислоты, играющей важную роль в мозговой и нервной функции, в диапазоне 5.3-54 мМоль [27]. Микрокалориметрические системы применяются также при исследовании мочевины [28] и глюкозы [29], [30].

Такие измерительные системы создаются с использованием самых передовых технологий, таких как микро-электромеханические мембранные системы (МЕМС), тонкопленочные технологии создания слоев и технологии высокоточного профилирования. Сложность интегрирования процесса создания сложных эффективных термоэлектрических материалов в свою очередь обуславливает создание термопар из простых веществ, таких как висмут и сурьма. Коэффициент Зеебека таких термопар всего 7 мкВ/К [31] [27], в то время как у наиболее часто используемого твердого раствора на основе теллурида висмута он достигает в среднем 200 мкВ/К [32] [33] [34] для тонкопленочного материала.

Электрические микрогенераторы

Традиционные термоэлектрические преобразователи нашли широкое применение в области генерации электроэнергии за счет тепловых источников различных типов: топливные, радиоизотопные, солнечные, утилизационные [35]. Принцип работы таких генераторов одинаков. Источник тепла создает температурный градиент между собой и менее нагретым телом - холодным радиатором. В промежутке между источником тепла и радиатором устанавливается термоэлектрический преобразователь таким образом, что через него проходит тепловой поток.

По своей сути, термоэлектрический генератор преобразует часть прошедшей через него тепловой энергии напрямую в электрическую. Традиционно, процесс производства термоэлектрических модулей включает пайку готовых полупроводниковых элементов на кремниевое основание. Такие системы способны обеспечить генерацию электроэнергии от 1 Вт до нескольких кВт. К примеру, такие системы используются в радиоизотопных источниках в медицине [36] [37], а также с целью длительного (десятки лет) обеспечения бортового питания космических аппаратов [38], выработке электроэнергии из тепла выхлопных газов автомобилей [39], в судостроении [40], гибридных солнечных преобразователях [41] [42] и многие другие. Микроминиатюрное исполнение генераторов требуется для удовлетворения требований компактности и надежности при низких требованиях к мощности источника.

1.2. Конструкции изделий на основе термоэлектрических тонких пленок

С развитием электронной промышленности растет спрос на маломощные источники питания. Известно 3 типа схемы компоновки термоэлектрических генераторных модулей [43]:

- латеральная мембранная схема. Недостатком схемы является необходимость создания мембраны, что связано с низкой надежностью, высокой хрупкостью и дороговизной.

- латеральная комбинированная схема. На полиимидной подложке формируется топология термоэлектрических и коммутационных слоев, затем термоэлектрическая лента разрезается на единичные ленты и пакетируется в корпус. Такой подход используется в модулях фирмы Perpetua Power (США). Достоинствами данной схемы исполнения является возможность большого удельного количества термопар и вибрационная стойкость. Недостатками является невысокая эффективность термоэлектрического материала из-за использования аморфных подложек.

- традиционная поперечная схема. Материалы p- и n- типа проводимости коммутируются пайкой по металлизационным площадкам.

Проблемы, возникающие при миниатюризации термоэлектрических модулей в настоящей работе предлагается решить двумя подходами: использованием технологии тонкопленочного нанесения слоев и переходом от поперечной схемы исполнения модуля к планарной.

Для области маломощной генерации, такой вариант исполнения обладает важными особенностями:

- Отказ от необходимости использования пайки. Все слои наносятся на одно основание и исключается необходимость совмещения нескольких оснований.

- Несмотря на сильное уменьшение толщины термоэлектрического слоя, не происходит нарушения температурного градиента как в случае, описанном ранее. Температурный градиент между холодными и горячими спаями в данной конфигурации определяется не толщиной термоэлектрического слоя, а его длиной.

На основе открытых литературных данных в Таблице 1 приведены характеристики известных микрогенераторов, выпускаемых различными западными фирмами.

Таблица 1.

Сравнение характеристик микрогенераторов

Фирма UW Cardiff (GB) гао-имит Infineon D.T.S. Halle Tokai SEIKO МюгореЬ JPL

Страна Великоб ритания Германия Германия Германия Япония Япония Германия США

Автор Rowe Strasser Sordeur, Stark Itoigawa, Hasebe Kishi Войпег Lim, Snyder

Схема планарн ая планарная планарная планарная Поперечная Поперечная Поперечная Поперечная

Подложка сапфир мембрана SiO2 полиимид полиимид Si Si + SiÜ2

Гибкость нет нет нет нет да нет нет нет

Длина дорожек, мкм 4500 500 18,5 1200 3000 600 20 20

Сечение дорожек, мкм2 100 х 0.4 7 х 1.2 6 х 0.4 50 х 2.5 300 х 2 80 х 80 500 х 50 060

Плотность термопар, шт/см2 55.6 6060 225422 3333 23 2600 1070 1575

Материал р-типа p-Si А1 p-SiGe Bi0.5Sb1.5Te3 Cu BiTeSb (В1,8Ь)2Тез Sb2Te3

Материал п-типа n-Si п-81 n-SiGe Bi2Te2.7Seo.2 Ni Bi2Te3 ВЬТез Bi2Te3

Коэф. Зеебека, мкВ/К 530 240 136-160 370 21 200 340 -

Электропро водность, 10-5 Омм - 1.4 1.5 - 2.1 1.7 - 2.2 - - 1.2 - 1.6 1.0

Технология осаждения Ионная имплант ция Термическое испарение, допирование Химическое вакуумное осаждение, Ионная имплантция Магнетронное распыление Термичес кое испарени е Синтез (объемна я технолог ия) Ионное распылени е LIGA

Последоват ельность сборки нет нет нет Упаковка из 70 лент Скручива ние, лазерная резка Пайка 2 пластин Пайка 2 пластин нет

Внутреннее

сопротивле ние, 105 Омсм2 1.74 54.5 291 - 355 13.3 0.005 0.025 0.0045 0.0005

Фактор мощности, мкВт/К2см2 0.0011 0.091 0.04 0.089 0.00007 5 2.4 -

Из таблицы 1 можно сделать следующие выводы:

- Характеристики микрогенераторов очень разнятся во всех возможных аспектах: от топологической схемы до используемых материалов и технологий.

Соответственно, и конечные характеристики таких генераторов разнятся крайне сильно, что затрудняет их сравнение.

- Вариант гибкого исполнения низкой термоэлектрической эффективностью из-за использования неэффективных материалов - медь и никель.

- Термоэлектрическая эффективность используемых материалов оказывает решающее влияние на параметры изделий.

Устройства фирмы Micropelt используются в области промышленной автоматизации. Последовательность их создания включает изготовление оснований с нанесенными пленками, последующее совмещение и пайка этих оснований [44].

Хорошими техническими параметрами обладают образцы микрогенераторов фирмы D.T.S. Halle , сочетающие в себе высокий коэффициент Зеебека, высокий фактор мощности при малых габаритах изделия. Данный прототип изготовлен по латеральной схеме с использованием пленочной технологии формирования термоэлектрического и вспомогательных слоев на полиимидных подложках, что подтверждает высказанное ранее предположение о целесообразности использования данного подхода.

Таким образом, термоэлектрические микромодули по латеральной схеме обладают рядом преимуществ - возможность обеспечения высоких выходных электрических напряжений при малом перепаде температур, высокая надежность из-за использования гибкого основания, упрощение технологии сборки ввиду отсутствия традиционного совмещения двух сторон модуля с дальнейшей пайкой. Однако имеются и недостатки [45]. Одним из них является необходимость использования современных вакуумных технологий послойного нанесения материала, сравнительный анализ которых будет проведен далее.

1.3. Требования к получаемым термоэлектрическим пленкам

Из проведенного анализа конструкций и особенностей применения изделий, использующих в своей основ термоэлектрические материалы в виде тонких

пленок следует необходимость постановки требований к получаемым термоэлектрическим пленкам.

Основными задачами, которые необходимо решить при создании пленочного термоэлектрического материала, используемого в конечном изделии являются:

- Обеспечение однородности термоэлектрических свойств при толщине пленки менее 10 мкм на участке некоторой площади подложки, достаточной для формирования топологии, используемой в конечном изделии.

- Обеспечение высоких характеристик термоэлектрического преобразования, таких как КПД преобразования, электропроводность и коэффициент Зеебека.

Для обоснования необходимости обеспечения однородности термоэлектрических свойств по площади пленки рассмотрим зависимость характеристик изделия от толщины термоэлектрической пленки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шупенев Александр Евгеньевич, 2018 год

Список литературы

1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И.. Технологические процессы лазерной обработки. М: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 664 с.

2. Термоэлектричество в России: история и современное состояние / Булат Л.П. [и др.] // Термоэлектричество, № 4, 2009. С. 7-32.

3. Herwaarden A. W., Sargo P. M. Thermal sensors based on the seebeck effect // Sensors and actuators, No. 10, 1986. P. 321-346.

4. Wearable thermoelectric generators for human body heat harvesting / Hyland M. [et. al.] // APlied energy, No. 182, 2016. P. 518-524.

5. Kusagaya K., Takashiri M. Investigation of the effects of compressive and tensile strain on n-type bismuth telluride and p-type antimony telluride nanocrystalline thin films for use in flexible thermoelectric generators // Journal of Alloys and Compounds. No. 653, 2015. P. 480-485.

6. LeBlanc Saniya. Thermoelectric generators: Linking material properties and systems engineering for waste heat recovery aPlications // Sustainable Materials and Technologies, No. 1-2, 2014. P. 26-35.

7. Label Free Detection of L-Glutamate Using Microfluidic Based Thermal Biosensor / KoParthy V. M. [et. al.] // Bioengineering, No. 2, 2015. P. 2-14.

8. Calorimetric Thermoelectric Gas Sensor for the Detection of Hydrogen, Methane and Mixed Gases / Park N-H., [et. al.] // Sensors, No. 14, 2014. P. 8350-8362.

9. Aspects of Thin-Film Superlattice Thermoelectric Materials, Devices, and APlications / Bottner H. [et. al.] // MRS BULLETIN, Vol. 31, 2006. P. 211-217.

10. Wang Peng, Bar-Cohen Avram. On-chip hot spot cooling using silicon thermoelectric microcoolers // Journal of APlied Physics, No. 102, 2007. P. 034503.

11. Snyder G.J., Toberer E.S. Complex thermoelectric materials // Nature, Vol. 7, 2008. P. 105-114.

12. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. М:

Машиностроение, 1989. 304 с.

13. Фокусирующие свойства профилированных многослойных рентгеновских зеркал / Аристов В.В. [и др.]// Письма в ЖЭТФ, Т. 44, № 4, 1986. С. 207-209.

14. Long-wave x-ray radiation mirrors / Gaponov S.V. [et. al.] // Optics Communications, Vol. 38, No. 1, 1981. P. 7-9.

15. Epitaxial YBa2Cu3O7 on Biaxially Textured Nickel (001): An AProach to Superconducting Tapes with High Critical Current Density / Norton D.P. [et. al.] // Science, Vol. 274, No. 5288, 1996. P. 755-757.

16. Epitaxial thin films of topological insulator Bi2Te3 with two-dimensional weak anti-localization effect grown by pulsed laser deposition / Zhang S.X. [et. al.] // Thin Solid Films, Vol. 520, 2012. P. 6459-6462.

17. Phuoc Huu Le, Chih Wei Luo. Thermoelectric and Topological Insulator Bismuth Chalcogenide Thin Films Grown Using Pulsed Laser Deposition // In: APlications of Laser Ablation - Thin Film Deposition, Nanomaterial Synthesis and Surface Modification / Ed. by Phuoc Huu Le C.W.L. Intech, 2016. P. 55-84.

18. A.W. Herwaarden E.A. Design and fabrication of infrared detector arrays for satellite attitude control // Sensors and Actuators, No. 83, 2000. P. 101-108.

19. Gaalemaa S. Detectors and Imaging Devices: Infrared, Focal Plane, Single Photon // Thermopile detector radiation hard readout. 2010. Vol. 7780. P. 778002.

20. Foote M. C. Quantum Sensing: Evolution and Revolution from Past to Future // Space science aPlications of thermopile detector arrays. 2003. Vol. 4999. P. 443447.

21. Ильин А.С. Разработка и исследование термоэлектрических первичных измерительных преобразователей для эталонных, образцовых и рабочих средств измерений энергетических характеристик оптического излучения сплошного и дискретного спектра в диапазоне длин волн 0,25-15мкм. дис. ... канд. техн. наук. Москва: ВНИИОФИ, 1985. 244 с.

22. Frank Rettig R.M. Direct thermoelectric gas sensors: Design aspects and first gas sensors // Sensors and Actuators B, No. 123, 2007. P. 413-419.

23. Woosuck Shin. WHEC // Robust Thermoelectric Hydrogen Sensors with Ceramic Catalyst. Леон, Франция. 2006. Vol. 16. P. 13-16.

24. Se-Chul Park. A micro-thermoelectric gas sensor for detection of hydrogen and atomic oxygen // Analyst, Vol. 2, No. 134, Jun 2009. P. 236-242.

25. Wiegärtner S. EUROSENSORS 2014 // Thermoelectric Hydrocarbon Sensor in Thick-film Technology for On-Board-Diagnostics of a Diesel Oxidation Catalyst. 2014. Vol. 87. P. 616 - 619.

26. KoParthy V.L. Thermoelectric microfluidic sensor for bio-chemical aPlications // Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 166-167, Май 2012. P. 608-615.

27. KoParthy V.L. Label Free Detection of L-Glutamate Using Microfluidic Based Thermal Biosensor // Bioengineering, Vol. 2, 2015. P. 2-14.

28. Lee W. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America // High-sensitivity microfluidic calorimeters for biological and chemical aPlications. 2009. Vol. 106. P. 15225-15230.

29. Muehlbauer M.J. Thermoelectric enzyme sensor for measuring blood glucose // Biosensors & Bioelectronics , Vol. 5, No. 1, Feb 1990. P. 1-12.

30. Zhang Y., Tadigadapa S. Calorimetric biosensors with integrated microfluidic channels // Biosens. Bioelectron., No. 19, 2004. P. 1733-1743.

31. Nestorova G.G. Thermoelectric lab-on-a-chip ELISA // Analytical Methods, Vol. 7, No. 5, 2015. P. 2055-2063.

32. Preparation and characterization of MOCVD bismuth telluride thin Mms /Boulouz A. [et. al.] // Journal of Crystal Growth, Vol. 194, 1998. P. 336-341.

33. Silva L.W., Kaviany M., Uhter C. Thermoelectric performance of films in the bismuth-tellurium and antimony-tellurium systems // J. APl. Phys., Vol. 97, 2005. P. 114903.

34. Zou H., Rowe D.M., Min G. Growth of p- and n-type bismuth telluride thin films by co-evaporation // Journal of Crystal Growth, Vol. 222, 2001. P. 82-87.

35. Анатычук Л.И. Термоэлектрические микрогенераторы // Термоэлектричество, №1, 2007. P. 5-28.

36. Huffman F.N. Radioisotope powered cardiac pacemakers // Cardiovascular Diseases, Vol. 1, No. 1, 1974. P. 52-60.

37. Chen Alic. Medical APlications of Thermoelectrics // In: Modules, Systems, and APlications in Thermoelectrics / Ed. by D.M. R. CRC Press, 2012. P. 581.

38. Ileuriall G.P. International Conference on Thermoelectrics // Solid-state power generation and cooling micro/nanodevices for distributed system architechtures. 2001. P. 24-29.

39. Cheng-Ting Hsu. Experiments and simulations on low-temperature waste heat harvesting system by thermoelectric power generators // APlied Energy, No. 88, 2011. P. 1291-1297.

40. Виноградов С.В. Проектирование термоэлектрического генератора, работающего от теплоты выхлопных газов судовых дизелей // Вестник АГТУ. Сер.: Морская техника и технология, No. 1, 2010. P. 89-94.

41. Tritt T.M.; Bottner H; Chen L. Thermoelectrics: Direct Solar Thermal Energy Conversion // Harnessing Materials for Energy, Vol. 33, Апрель 2008. P. 366-368.

42. High-performance flat-panel solar thermoelectric generators with high thermal concentration / Kraemer Daniel [et. al.] // Nature materials, May 2011. P. 1-7.

43. Анатычук Л.И. Термоэлектрические преобразователи энергии. Киев, Черновцы: Букрек, 2003. 376 с.

44. Joachim N.E.A. Method for production of a thermoelectric aParatus, Изобретение 8709850, Apr 29, 2014.

45. Гольцман Б.М., Дашевский З.М., Кайданов В.И., Коломоец Н.В. Пленочные термоэлементы: физика и применение. М: Наука, 1985. 232 с.

46. Марченко О.В., Кашин А.П., Лозбин В.И., Максимов М.З. Методы расчета термоэлектрических генераторов. Новосибирск: НАУКА, 1995.

47. An experimental study and modeling of the thickness distribution in pulsed laser deposited ferroelectric thin films / Tyunina M. [et. al.] // APlied Surface Science, Vol. 96-98, 1996. P. 831-835.

48. Eason R. Pulsed Laser Deposition of Thin Films: APlications-Led Growth of

Functional Materials. Wiley, 2006. 682 P.

49. Абрютин, В; Нестеров, С; Романько, В; Холопкин, А. Применение нанотехнологий для создания высокоэффективных термоэлектрических материалов // Наноиндустрия, № 1, 2010. С. 24-26.

50. Goncalves L.M. et al. Optimization of thermoelectric properties on Bi2Te3 thin films deposited by thermal co-evaporation // Thin Solid Films, Vol. 518, 2010. P. 2816-2821.

51. Ohta M. // Materials Transactions, Vol. 50, No. 9, 2009. P. 2129-2133.

52. Faraji L.S. [et. al.] Pulsed laser deposition of bismuth telluride thin film and annealing effects // Eur. Phys. J. APl. Phys., Vol. 46, 2009. P. 20501.

53. Гольцман Б.М.; Кудинов В.А.; Смирнов И.А. Полупроводниковые термоэлектрические матриалы на основе Bi2Te3. М: Наука, 1972. 320 с.

54. New Directions for Low-Dimensional Thermoelectric Materials / Dresselhaus M. S. [et. al.] // Advanced Materials, Vol. 19, 2007. P. 1043-1053.

55. Mahan G.D., Sofo J.O. APlied Physical Sciences // The best thermoelectric. USA. 1995. Vol. 93. P. 7436-7440.

56. Venkatasubramanian R. Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit // Nature, Vol. 413, No. 11, 2001. P. 597-602.

57. Venkatasubramanian R. Nanoscale ultra-thin films for excellent thermoelectric figure of merit, Заявка на изобретение 2013119293, Aug 15, 2013.

58. Enhancement of Thermoelectric Efficiency in PbTe by Distortion of the Electronic Density of States / Heremans J.P. [et. al.] // Science, Vol. 321, July 2008. P. 554557.

59. Hicks L.D.; Dresselhaus M.S. Effect of quantum-well structures on the thermoelectric Bgure of merit // Physical review B, Vol. 47, No. 19, May 1993. P. 12727-12731.

60. Allon I.H., Renkun Ch., Raul D.D., Wenjie L., Erik C. G., Mark N. Enhanced thermoelectric performance of rough silicon nanowires // Nature, Vol. 451, 2008. P. 163-167.

61. Heremans J.P. et al. Thermoelectric Power of Bismuth Nanocomposites // Physical review letters, Vol. 88, No. 21, May 2002. P. 216801.

62. Heath. Silicon nanowires as efficient thermoelectric materials / Akram I. Boukai [et. al.] // Nature, Vol. 451, No. 168-171, Jan 2008.

63. Quantum Dot Superlattice Thermoelectric Materials and Devices / Harman T. C. [et. al.] // Science, Vol. 297, 2002. P. 2229-2232.

64. Thermoelectric Quantum-Dot Superlattices with High ZT / Harman T.C. [et. al.] // Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 29, No. 1, 2000.

65. Шупенев А.Е. Развитие тонкопленочных технологий: от мыльных пузырей к современным нанотехнологиям // Молодежный научно-технический вестник, Т. 5, май 2013.

66. Elaboration of Bi2Te3 by metal organic chemical vapor deposition / Giani A. [et. al.] // Thin Solid Films, Vol. 303, 1997. P. 1-3.

67. Huang H. Influence of annealing on thermoelectric properties of bismuth telluride films grown via radio frequency magnetron sputtering // Thin Solid Films, Vol. 517, 2009. P. 3731-3734.

68. Tan J. E.A. Smart Sensors, Actuators, and MEMS II // Thermoelectric properties of bismuth telluride thin films deposited by radio frequency magnetron sputtering. Sevilla. 2005. Vol. 5836. P. 711-718.

69. Wu M.K. Superconductivity at 93 K in a new mixed-phase Y-Ba-Cu-O compound system at ambient pressure // Phys. Rev. Lett., Vol. 58, 1987. P. 908—910.

70. Вейко В.П. Лазерные микро- и нанотехнологии в микроэлектронике. СПб: ИТМО, 2011. 141 с.

71. A topological Dirac insulator in a quantum spin Hall phase / Hsieh D. [et. al.] // Nature, Vol. 452, 2008. P. 970-975.

72. Yamasaki I. E.A. XVII International Conference on thermoelectrics // Thermoelectric properties of Bi2Te3/Sb2 Te3 superlattice structure. Nagoya. 1998. P. 210-213.

73. Caylor J.C. Pulsed laser deposition of skutterudite thin films // Journal of APlied

Physics , Vol. 6, No. 89, 2001. P. 3508-3513.

74. Suzuki A. XX International Conference on Thermoelectrics // Characterization of filled skutterudite LaFe3CoSb12 thin films prepared by laser ablation. Beijing. 2001. P. 318 - 321.

75. Lemee N. In situ pulsed laser deposited thin films of ternary molybdenum cluster sulfides CuxMo6S8

76. Giapintzakis J. Pulsed-laser deposition of NiMnSb thin films moderate temperatures // APlied Surface Science, No. 197-198, 2002. P. 421-425.

77. Grigorescu C. Surface particularities in pulsed laser ablation/deposition of the ferromagnetic alloy NiMnSb // APlied Surface Science, Vol. 212-213, May 2003. P. 78-84.

78. Brien V., Dauscher A., Weisbecker P., Machizaud F. Growth of a textured quasicrystalline phase in Ti-Ni-Zr films prepared by pulsed laser deposition // APlied Physics A: Materials Science & Processing, Vol. 76, No. 2, 2003. P. 187195.

79. Mele A. E.A. Inductively coupled plasma mass spectrometric study of laser sputtering from the surface of an Al-Cu-Fe alloy and quasicrystal // APlied Surface Science , Vol. 186, 2002. P. 322-328.

80. Быковский Ю. А. Получение эпитаксиальных пленок полупроводниковых соединений с помощью импульсного твердотельного ОКГ // В кн.: Термоэлектрические материалы и пленки: Материалы Всесоюзного совещания. Ленинград: АН СССР, 1976. С. 49-54.

81. Dauscher A. Pulsed laser deposition of Bi2Te3 thin films // Thin Solid Films, Vol. 280, No. 1-2, 1996. P. 61-66.

82. Makala R.S. Pulsed Laser Deposition of Bi2Te3 based thermoelectric thin films, North Carolina State University, Raleigh, Dissertation 2002.

83. Дубровский В. Теория формирования эпитаксиальных наноструктур. ФИЗМАТЛИТ, 2009. 352 с.

84. Pulsed laser deposition of Bi2Te3 thermoelectric films / Bailini A. [et. al.] // APlied

Surface Science, Vol. 254, 2007. P. 1249-1254.

85. Шупенев А.Е. Лазерное осаждение тонкопленочных структур: тенденции и практика // Молодежный научно-технический вестник., 2016. С. 1-6.

86. Singh R.K. Pulsed-laser evaporation technique for deposition of thin films: Physics and theoretical model // Physical review B, Vol. 41, No. 13, 1990. P. 8843-8859.

87. Schou J. Physical aspects of the pulsed laser deposition technique: The stoichiometric stransfer of material from target to film // APlied surface Science, No. 255, 2009. P. 5191-5198.

88. Internal structure and expansion dynamics of laser ablation plumes into ambient gases / Harilal S. [et. al.] // Journal of APlied Physics, Vol. 93, No. 5, 2003. P. 2380-2388.

89. Новодворский О.А. Импульсное лазерное напыление тонких пленок и наноразмерных структур для активных сред лазеров // дисс. д. ф-м. н. ФБГУ ИПЛИТ РАН г. Шатура, 2012.

90. Syntesis of Novel Thin-Film Materials by Pulsed Laser Deposition / Lawndes D.H. [et. al.] // Science, Vol. 273, 1996. P. 898-903.

91. Critical assessment of the issues in the modeling of ablation and plasma expansion processes in the pulsed laser deposition of metals / Marla D. [et. al.] // Journal of aPlied physics, Vol. 109, 2011. P. 021101.

92. Анисимов С.И., Лукьянчук Б.С. Избранные задачи теории лазерной абляции // Успехи физических наук, Vol. 172, No. 3, 2002. P. 301-334.

93. Antoni F. Analytical description of the film thickness distribution obtained by the pulsed laser ablation of a monoatomic target: aPlication to silicon and germanium // APlied Surface Science, Vol. 96-98, 1996. P. 50-54.

94. Itina T.E. Numerical study of the role of a background gas and system geometry in pulsed laser deposition // Journal of aPlied physics, Vol. 83, No. 11, 1998. P. 60506054.

95. Periodic oscillations of thin film properties with their thickness for mixed real Bi2(M+N)Te3N phases / Pavelka M. [et. al.] // Surface & Coatings Technology,

Vol. 200, 2005. P. 273- 275.

96. Pulsed Laser Deposition of Bismuth Telluride Thin Films for Microelectromechanical Systems Thermoelectric Energy Harvesters / Aziz A.A. [et. al.] // Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 39, No. 9, 2010. P. 19201925.

97. Thermoelectric properties of nanocrystalline Bi3Se2Te thin films grown using pulsed laser deposition / Tuyen L.T.C., [et. al.] // Journal of Alloys and Compounds, Vol. 673, 2016. P. 107-114.

98. High room-temperature figure of merit of thin layers prepared by laser ablation from Bi2Te3 target / Walachova J. [et. al.] // APl. Phys. Lett., Vol. 87, 2005. P. 081902.

99. Influence of pulsed laser deposition rate on the microstructure and thermoelectric properties of Ca3Co4O9 thin films. / Sun T. [et. al.] // Journal of Crystal Growth, Vol. 311, No. 16, 2009. P. 4123-4128.

100. Aziz M.J. Film growth mechanisms in pulsed laser deposition // APlied Physics A: Materials Science & Processing, Vol. 93, No. 3, 2008. P. 579-587.

101. Jacquot A. Influence of target morphology on droplet emission and thickness profiles with pulsed laser deposited bismuth films // APlied Physics A, Vol. 69, No. 1, 1999. P. 195-199.

102. Conference on Laser APlications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing IV / Nakata Y. [et. al.] // Pulsed-Laser Deposition of Ti:saPhire Thin Films Using High-Speed Rotating Target. San Jose. 1999. Vol. 3618. P. 504511.

103. Управление энергетическим спектром ионов в модифицированном методе импульсного лазерного напыления на пересекающихся факелах / Хайдуков Е.В. [и др.] // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37. № 2. С. 39-45.

104. Будник А.В., Рогачева Е.И., Сипатов А.Ю. Влияние технологии приготовления на структуру и термоэлектрические свойства пленок Bi2Te3 // Термоэлектричество, № 4, 2013. С. 21-29.

105. Cornett J.A., Rabin O. // Solid-State Electronics, Vol. 101, 2014. P. 106-115.

106. Rozovskis G. Plasma surface modification of polyimide for improving adhesion to electroless coPer coatings // Journal of Adhesion Science and Technology. 1996. Vol. 10. No. 5. P. 399-406.

107. Effect of surface roughness on the adhesion properties of Cu/Cr films on polyimide substrate treated by inductively coupled oxygen plasma / Kim S.H. [et. al.] // Surface & Coatings Technology. 2005. Vol. 200. P. 2072 - 2079.

108. Lin Y-S. Surface Modification of Polyimide Films by Argon Plasma for CoPer Metallization on Microelectronic Flex Substrates // Journal of APlied Polymer Science. 2006. Vol. 99. P. 744-755.

109. Shafeev G.A. Laser-Assisted Activation and Metallization of Polyimides // APlied Physics A. 1992. Vol. 55. P. 387-390.

110. Четырехзондовый метод измерения электрического сопротивления полупроводниковых материалов. / Поклонский Н.А. [и др.]. Минск: Белгосуниверситет, 1998. 46 с.

111. Бурлаков Р.Б., Ковичак В.С. К вопросу об измерении удельного сопротивления проводящих слоев четырехзондовым методом // Вестн. Ом. ун-та., № 2, 2014. С. 59-68.

112. Ianno I.J., Erington K.B. Thin films of uniform thickness by pulsed laser deposition // Review of Scientific Instruments. 1991. Vol. 63. P. 3525.

113. Либенсон М.Н., Яковлев Е.Б., Шандыбина Г.Д. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. СПб: СПб ГУ ИТМО, 2008. 141 с.

114. Веденов А.А., Гладуш Г.Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов. М: Энергоатомиздат, 1985.

115. Superassembling of Bi2Te3 hierarchical nanostructures for enhanced thermoelectric performance / Chang H-C. [et. al.] // Journal of Materials Chemistry A. 2015. Vol. 00. P. 1-7.

116. Thermoelectric properties of Bi0.5Sb1.5Te3thin films grown by pulsed aser deposition / Symeou E. [et. al.] // APlied Surface Science. 2015. Vol. 336. P. 138-

117. Coin-size coiled-up polymer foil thermoelectric power generator for wearable electronics / Weber J. [et. al.] // Sensors and Actuators A. 2006. Vol. 132. P. 325330.

118. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. 2-е изд. М: Энергия, 1977. 344 с.

119. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче: Учеб. пособие для вузов. 4-е изд. М: Энергия, 1980. 288 с.

120. РД 50-557-85. Государственная система обеспечения единства измерений. Термоэлементы радиационные напыленные типа РТН. Методика поверки, М., 1985. 7 с.

- 124 -Приложение

П. 1. Электрические схемы измерительного стенда.

Схема 1. Модуль питания

Схема 2. Модуль управления нагревателем

Схема 3. Модуль для четырехзондового метода

Схема 4. Измерение термоЭДС

П.2. Проектный расчет приемников излучения

Проведем анализ различных материалов по описанной расчетной схеме. Расчет проведен в системе МаШсаё 14.

Общие исходные данные для расчета: количество термопар - 10шт, напряжение шума 10 мкВ, минимальная измеряемая мощность приемника 30 мкВт, коэффициент Зеебека термоэлементов 350 мкВ/К, диаметр приемной площадки 6 мм, диаметр диска 8 мм.

Исходные данные:

Величина Размерность Значение Обозн.

Напряжение шума источника В 10-6 иш

Минимальная измеряемая мощность приемника Вт 3-10-5 Ршгп

Количество термоэлементов в приемнике - 10 П

Коэффициент Зеебека термоэлемента В-К"1 350-10-6 а

Ускорение свободного падения м-с 2 9.8 ё

Кинематический коэффициент вязкости воздуха 2 м2-с 15.06-10-6 V

Число Прандтля - 0.703 Рг.ж

Толщина подложки м 3-10-5 Ъ

Диаметр приемной площадки м 610-3 ё1

Диаметр приемного диска м 810-3 ё2

Теплопроводность воздуха при 20 С Вт-м-1-К-1 3-10-5 Хв

Исходя из практических соображений и сведений из литературного обзора, в качестве объектов сравнения выбраны материалы со следующими характеристиками:

Полиимид SiO2 Si AlN

Толщина мм 0.1 0.1 0.1 0.1

Теплопроводность Вт м-°С 0.12 10 150 160

Удельная плотность кг м3 1420 2500 2330 3250

Удельная теплоемкость Дж кг • °С 1100 1200 1100 750

Минимальный коэффициент преобразования необходимый для детектирования заданного нижнего порога энергии излучения

Тогда необходимо обеспечить следующий перепад температур

Далее приведены рассчитанные перепады температур приёмного диска в зависимости от падающей на приёмник оптической мощности

Вт 3-10"5 110-4 110-3 110-2 110-1 1 • 100

0С 0.004 0.01 0.14 1.43 14.3 143

При значениях оптической мощности более 1 Вт наблюдается значительный перегрев, при котором возможны как конструктивные нарушения в работе приемника, так и низкая достоверность расчетной модели в связи со сменой ламинарного режима конвекционного теплообмена на турбулентный.

Для различных материалов введем индексы обозначений 1, 2, 3, 4, соответствующие полиимиду, оксиду кремния, нитриду алюминия и чистому кремнию соответственно.

Определение теплоотдачи от вертикально расположенного приёмного диска к окружающему спокойному воздуху, если известно, что температура окружающего воздуха вдали от диска равна 1:ж =200С, а температура приёмного диска рассчитана выше.

Для определения коэффициентов С и П рассчитаем значение комплекса

ср := 1100 Дж/кг*К Удельная теппоемкость р := 1+20 кг/мЗ Ппстность материала подложки

X := 0.12 Вт/м^К Теппопроводность диска

ср2 := 1200 Дж/кг*К Удельная теппоемкость

р2 := 2500 кг/мЗ Ппстность материала подложки

Х2 := 10 Вт/м^К Теппопроводность диска

срЗ := 750 Дж/кг*К Удельная теппоемкость

рЗ := 3250 кг/мЗ Ппстность материала подложки

\3 := 160 Вт/м^К Теппопроводность диска

ср4 := 1100 Дж/кг*К Удельная теппоемкость

р4 := 2330 кг/мЗ Ппстность материала подложки

Х4- := 150 Вт/м^К Теппопроводность диска

Значение Комплекса К-(Сг*Рг)Ж

-2

Перепад температур. К

Значение Комплекса

ДТ=0.001

К(0.001) = 0.05 К (0.01) = 0.53 К(0.1) = 5.31 К(1) = 53.05 К [10} = 530.5

ДТ=0.01

ДТ=0 1

ДТ=1

ДТ=10

ДТ=100

К(100) = 5.31 X 10' К (126) = 6.69 у, 10'

ДТ=126

Коэффициенты С и п определим из таблицы.

(СгРг)ж С п

1.103 - 1.109 > 6.1010 0.75 0,15 0.25 1/3 Вдоль вертикальной стенки

1.103 - 1.109 0,50 0,25 На горизонтальной трубе

В нашем случае С=0.75 и п=0.25. Далее рассчитаем число Нуссельта

Перепад температур, К

Число Нуссельта

ДТ=0.001

ДТ=0.01

ДТ=0.1

ДТ=1

ДТ=10

ДТ=100

N11(0.001) =1.56 N11(0.01) =0.35 N11(0.1} = 0.49 N11(1) = 0.28 N11(10) = 0.16 N11(100) = 0.09

Рассчитаем величину конвекционных тепловых потерь для материалов

Теппоотдача Конвективные потери

а/ДТ) := —-КГаГДТ) (32

+

ОКОНЕ(ДТ) := тг (015 Л2) <ДТ)

Перепад температур, К

ДТ=0.001

ДТ=0.01

ДТ=0.1

ДТ=1

ДТ=10

ДТ=100

Потери

на конвекцию Оконб(О.ООГ) = 2..54х 10

-4

Оеонб[ 0.01} = 1.43 х 10

-4

Оеоне[0.1} = 3.04 х 10

- 3

Оеоне[ 1} = 4.52 х 10 Оконб(Ю) = 2.54 х 10

- 3

0конб(100) = 1.43 я 10

Рассчитаем тепловые потери, обусловленные излучением с поверхности

Оизл(ДТ} := тт ((12):-5.6710_8 (293 + ДТ}1"

Перепад Потери

температур, К на излучение

ДТ=0.001

ДТ=0.01

ДТ=0.1

ДТ=1

ДТ=10

ДТ=100

Оизл(0.00 1} = 2.S7 х 10

Оизл(0.01) = 2.57 х 10 QhsjdCO.I) = 2.В7 х 10~

-4

-4

Оизл(1) = 2.9 х 10 Оизл(Ю) = 3.17 х 10"

-4

Оизл(100) = 6.92 х 10

Рассчитаем тепловые потери, обусловленные теплопроводностью по подложке, и суммарную теплоемкость системы.

Теппспроводность по материалу диска Qd :=

2-Tr-h-X

Суммарная теппоемкость

ln(d2) - b(dl) Q(AT) := Оконб(ДТ) + фи^ДТ) + Qd

Перепад температур, К

Полиимида

Тепповые потери суммарные для

5Í02

AIN

5i

5 II 0.001 Q{0.001) = S.03 X 10"

5 II ■0.01 Q{0.01) = 6.92 X 10"

5 II ■0.1 0(0.1) = 6.3 х ю--

дт= 1 0(1) = 5.97 х 10"-

дт= 10 0(10) = 6.05 х 10" 4

дт= 100 0(100) = 9.6S х 10"

-4 4

Q2(0.001) = 0.02 Q3(0.001) = О.Зз Q4{0.001) = 0.33

Qapj.Ol) = 0.02 Q3(0.0l) = 0.35 Q4<0.01) = 0.33

Q2(01) = 0.02 Q3(0.1} = 035 Q4<0.1) = 0.33

Q2(l| = 0.02 Q3(l) = 035 Q4(l) = 0.33

02(10) = 0.02 Q3( 10) = 0.35 Q4<10) = 0.33

Q2(100) = 0.02 Q3(10CO = 0.35 Q4{100) = 0.33

На основе полученных теплофизических величин определим коэффициент преобразования при использовании различных материалов подложки.

Еп(Д1} := п-ИгОСДТ)

Перепад Коэффициент преобразования В/Вт

температур, К Полиимида 5102 А1М

дт= =0.001 КцДОМ) = 4.36 Кп2(0.001) = 0.16 КпЗ(0.001) = 0.01 Кп4<0.001) = 0.01

дт= =0.01 Кп(0.01) = 106 Кп2(0_01) = 0.16 КпЗ(0.01) = 0.01 Кп4<0.01) = 0.01

дт= =0.1 КцД1) = 5.56 Кп2(0_1) = 0.16 КпЗ(0.1) = 0.01 Кп4<0.1) = 0.01

дт= =1 Ю<1) = 5.36 Кп2(1) = 0.16 КпЗ(1) = 0.01 Кп4<1) = 0.01

дт= = 10 Кп(10) = 5.79 Кп2(Ю) = 0.16 КпЗ{10) = 0.01 Кп4(10) = 0.01

дт= = 100 Кп(100) = 3.61 Кп2(100) = 0.16 КпЗ(ЮО) = 10 х 10" ;Кп4<100) = 0.01

На основе полученных теплофизических величин определим постоянную времени при использовании различных материалов подложки.

Теплоемкость подложки Постоянная времени

С := ср-А-Ь- р

ЦДТ) := С-0(ДТ)

- 1

Перепад температур, К

Попиимида

Постоянная времени, с 5102

А1М 51

ДТ=0.001 1(0.001} = 5.5 12(0.001) = 0.33 13(0.001) = 0.02 14(0.001) = 0.02

ДТ=0.01 1(0.01) = 6.33 12(0.01} = 0.33 13(0.01) = 0.02 14(0.01) = 0.02

ДТ=0.1 1(0.1} = 7.02 12(0.1) = 0.33 13(0.1} = 0.02 14(0.1) = 0.02

ДТ=1 1(1} = 7.4 12(1) = 0.33 13(1) = 0.02 14(1) = 0.02

ДТ=10 1(10) = 7.3 12(10} = 0.33 13(10) = 0.02 14(10) = 0.02

ДТ=100 1(100) = 4 56 12(100) = 0.33 13(100) = 0.02 14(100) = 0.02

Для достижения заданного порога чувствительности требуется коэффициент преобразования не менее 0.75 В/Вт. Расчет показывает, что обеспечение данного параметра возможно только с использованием полиимидного материала в качестве подложки.

В диссертационный совет Д 212.141.06 при

МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5. стр.1

ОТЗЫВ

Научного руководителя, д.т.н, проф. Григорьянца Александра Григорьевича о работе Шупенева Александра Евгеньевича над диссертацией «Разработка технологии создания высокоэффективных тонкопленочных термоэлектрических материалов методом импульсного лазерного осаждения», представленной на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальностям 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки, 05.27.06 - Технология и оборудование для полупроводников, материалов и приборов электронной техники.

Будучи студентом кафедры «Лазерных технологий» МГТУ им. Н.Э. Баумана, Шупенев Александр Евгеньевич проявил интерес к исследовательской деятельности и лазерным технологиям в наноинженерии в конце 4 курса обучения, принимая участие в запуске крупного высоковакуумного технологического комплекса. Первые результаты работы были представлены в 2012 году на «международном конкурсе научных работ по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации» и удостоены диплома 3 степени.

В 2013 году окончил магистратуру на «отлично» и поступил в аспирантуру на кафедру МТ-12 для продолжения исследовательской деятельности в области высокоэффективных термоэлектрических нанотехнологий.

Шупенев Александр Евгеньевич занимался новым для кафедры направлением с полной отдачей, благодаря чему за время своего обучения получал повышенные стипендии, стипендии Правительства РФ и Президента РФ, а также выиграл грант на проведение научно-исследовательской работы

по вопросам получения наноструктурированных термоэлектрических материалов от Фонда Содействия Инновациям.

Благодаря новаторскому подходу и пытливости при решении новых задач, Шупеневу Александру Евгеньевичу удалось получить 4 патента на изобретение и 2 патента на полезную модель. Шупеневым А.Е. в соавторстве опубликовано 11 статей в научных журналах РИНЦ, из которых 4 входят перечень рекомендуемых ВАК РФ, а также выступал с докладами на международных научных конференциях.

С учётом активности работы и достижения практических результатов, приведших к созданию нового технологического процесса получения высокоэффективных термоэлектрических материалов на основе теллурида висмута на полиимидных подложках, а также квалификационного уровня соискателя, рекомендую присвоить Шупеневу А.Е. учёную степень кандидата технических наук по специальностям 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки, 05.27.06 -Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники.

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор Григорьянц А.Г.

заведующий кафедрой лазерных технологий в

машиностроении МГТУ им. Н.Э. Баумана

г. Москва, 2-я Бауманская ул. д.5. стр.1.

т. 8 [phone]

Эл. почта: [e-mail]