ชื่องานวิจัย

การพัฒนาอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกแบบสปินซีเบกของฟิล์มบาง

บทคัดย่อ

การวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาการเตรียมวัสดุฟิล์มบาง Fe-Sb-Ti และการประดิษฐ์อุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกแบบสปินซีเบกผ่านกระบวนการแมกนีตรอนสปัตเตอริ่งแบบดีซีโดยใช้วัสดุเป้า Fe: Sb: Ti; (2: 1: 1) ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 76.20 mm และหนา 6.35 mm การเตรียมวัสดุฟิล์มบาง Fe-Sb-Ti และประดิษฐ์อุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกแบบสปินซีเบกได้ใช้SiO2-0.1μm/Si-wafer เป็นวัสดุฐานรอง เงื่อนไขการเตรียมวัสดุฟิล์มบาง Fe-Sb-Ti ด้วยกระบวนการแมกนีตรอนสปัตเตอริ่งแบบดีซีได้ใช้กําลังไฟฟ้าที่ขั้วแคโทดเป็น 50 W ภายใต้บรรยากาศ Ar ด้วยอัตราการจ่ายเป็น 38.0 sccm ความดันการทํางานเป็น 1.2 Pa และเวลาการพอกพูนเป็น 10 นาทีผลการศึกษาลักษณะเฉพาะของฟิล์มบาง Fe-Sb-Ti ได้แก่ โครงสร้างผลึก ลักษณะสัณฐานวิทยา และองค์ประกอบเชิงธาตุดําเนินการโดยใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (X-ray diffraction; XRD) เทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (Scanning electron microscope; SEM) แ ล ะ เท ค นิ ค ก า ร ก ร ะ จ า ย พ ลั ง งา น รั ง สี เอ็ ก ซ์ (energy dispersive X-rayspectroscopy; EDS) ตามลําดับ พบว่า โครงสร้างผลึกของฟิล์มบางได้ยืนยันเฟสของฟิล์มบางที่ได้เป็นลักษณะอสัณฐานหรืออมอร์ฟัส โดยมีองค์ประกอบเชิงธาตุที่ตรวจสอบได้ด้วยเทคนิค EDS มีอัตราส่วนของธาตุองค์ประกอบของFe, Ti และ Sb ระบุอัตราส่วนโมเลกุลได้เป็น Fe4TiSb3 ผลการวัดสมบัติเทอร์โมอิเล็กทริกทั่วไปของฟิล์มบาง Fe-Sb-Ti ด้วยเครื่อง ZEM-3 แสดงสมบัติเป็นวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกชนิดเอ็นที่อุณหภูมิห้องแล้วได้เปลี่ยนสมบัติเป็นวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกชนิดพีที่อุณหภูมิการวัดสูงขึ้น โดยที่อุณหภูมิ 250 oC ฟิล์มบางมีค่าสภาพต้านทานไฟฟ้า และสัมประสิทธิ์ซีเบกที่คํานวณได้ค่าแฟกเตอร์กําลังสูงสุดเป็น 57.70 μΩ m, 485 μV K–1 และ 4.07 mW m–1 K–1 ตามลําดับ จากผลการศึกษาโครงสร้างผลึกที่เป็นอสัณฐานและค่าสภาพต้านทานไฟฟ้าที่ต่ําในระดับโลหะได้บ่งชี้ว่าฟิล์มบาง Fe-Sb-Ti ทีเตรียมได้มีลักษณะเป็นโลหะแก้ว (metallic glass) เนื่องจากมีโครงสร้างคล้ายแก้วแต่มีค่าการนําไฟฟ้าที่สูงระดับโลหะการประดิษฐ์อุปกรณ์เทอร์โม อิเล็กทริกแบบสปินซีเบกทําได้โดยการเคลือบฟิล์มบางแพลตทินัม (Pt) เคลือบไปบนชั้นฟิล์มบาง Fe-Sb-Tiด้วยวิธีแมกนีตรอนสปัตเตอริ่งแบบดีซีที่ความหนาประมาณ 10 nm เป็นชั้นวัสดุพาราแมกเนติกสําหรับการวัดสมบัติเทอร์โมอิเล็กทริกสปินซีเบกโดยใช้เทคนิคปรากฏการณ์เนรินช์(Nernst effect) พบว่า มีค่าสปินซีเบกสูงสุดเป็น 5.0 μV K–1 ภายใต้สนามแม่เหล็กและผลต่างอุณหภูมิเป็น 30,000 Oe และ 10K ตามลําดับ ผลการทดสอบการผลิตไฟฟ้าของอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกแบบสปินซีเบกภายใต้ปรากฏการณ์เนรินช์โดยให้ฟลักซ์ความร้อนไหลตั้งฉากระนาบฟิล์มบาง พบว่ามีค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าวงจรเปิดสูงสุดเป็น 0.151 mV และกําไฟฟ้าสูงสุดที่คํานวณได้เป็น 0.046 nW ที่ผลต่างอุณหภูมิตั้งฉากระนาบฟิล์มบางเป็น 9.5K

คำสำคัญ : อุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกแบบสปินซีเบก ฟิล์มบางของ Fe-Sb-Ti แมกนีตรอนสปัตเตอริ่ง ปรากฏการณ์อโนมาลัสเนรินช์

ชื่อหัวหน้าโครงการวิจัย : ผศ. ดร.อาธรณ์ วรอัด

ชื่อผู้ร่วมวิจัย : -

เอกสารบทคัดย่อ