텔루륨화 비스무트

1. 개요

텔루륨화 비스무트(Bi₂Te₃)는 좁은 띠 간격을 가진 층상 반도체로, 열전 재료 및 위상 절연체로서의 특성을 갖는다. 열전 재료로 사용될 때는 제베크 계수가 중요하며, 나노와이어 또는 박막 구조를 통해 효율을 향상시키려는 연구가 진행되고 있다. 또한, 전기 전도도와 열전도도의 관계가 중요하며, 텔루륨화 비스무트는 높은 전기 전도도와 낮은 격자 열전도도를 나타낸다. 위상 절연체로서 텔루륨화 비스무트는 얇은 시료에서 표면 상태가 변화하며, 에피택시 또는 기계적 박리 방법을 통해 얇은 시료를 제작할 수 있다. 텔루륨화 비스무트의 광물 형태는 텔루로비스무트광이며, 비스무트와 텔루륨 금속 분말을 가열하여 합성할 수 있다.

2. 열전 재료로서의 특성

텔루르화 비스무트는 좁은 띠 간격의 층상 반도체이며, 삼각 결정 구조를 갖는다. 가전자대와 전도대 구조는 반사면에 중심이 있는 6개의 등 에너지 타원체로 구성된 다중 타원체 모델로 설명할 수 있다. 비스무트/Bi^영어텔루륨/Te^영어는 인접한 텔루륨 원자 사이의 반 데르 발스 결합으로 인해 삼각 축을 따라 쉽게 절단된다. 이로 인해 발전 또는 냉각 응용 분야에 사용되는 텔루르화 비스무트 기반 재료는 다결정질이어야 한다. 또한, 벌크 비스무트/Bi^영어텔루륨/Te^영어의 제베크 계수는 실온 근처에서 상쇄되어, 발전 장치에 사용되는 재료가 비스무트, 안티몬, 텔루륨 및 셀레늄의 합금이 되도록 한다.

최근 연구자들은 나노와이어 또는 박막과 같이 하나 이상의 차원을 줄인 구조를 만들어 비스무트/Bi^영어텔루륨/Te^영어 기반 재료의 효율을 향상시키려고 시도했다. 한 예로, n형 텔루르화 비스무트가 54 °C에서 −287 μV/K의 향상된 제베크 계수(단위 온도 차이당 전압)를 갖는 것으로 나타났다. 그러나 제베크 계수와 전기 전도도 사이에는 상쇄 관계가 있음을 인식해야 한다. 제베크 계수가 높을수록 캐리어 농도가 감소하고 전기 전도도가 감소한다.

또 다른 경우, 연구자들은 텔루르화 비스무트가 1.1×10⁵ S·m/m²의 높은 전기 전도도와 1.20 W/(m·K)의 매우 낮은 격자 열전도도를 가지며, 이는 일반적인 유리와 유사하다고 보고했다.

2.1. 제베크 계수와 전기 전도도

텔루르화 비스무트는 삼각 결정 구조를 갖는 좁은 띠 간격의 층상 반도체이다. 가전자대와 전도대 구조는 반사면에 중심이 있는 6개의 등 에너지 타원체로 구성된 다중 타원체 모델로 설명할 수 있다. 인접한 텔루륨 원자 사이의 반 데르 발스 결합으로 인해 삼각 축을 따라 쉽게 절단된다. 이로 인해 발전 또는 냉각 응용 분야에 사용되는 텔루르화 비스무트 기반 재료는 다결정질이어야 한다. 벌크 텔루르화 비스무트(Bi₂Te₃)의 제베크 계수는 실온 근처에서 상쇄되어, 발전 장치에 사용되는 재료가 비스무트, 안티몬, 텔루륨 및 셀레늄의 합금이 되도록 한다.

최근 연구자들은 나노와이어 또는 박막과 같이 하나 이상의 차원을 줄인 구조를 만들어 텔루르화 비스무트(Bi₂Te₃) 기반 재료의 효율을 향상시키려고 시도했다. n형 텔루르화 비스무트가 특정 온도에서 향상된 제베크 계수를 갖는 것으로 나타났다. 그러나 제베크 계수와 전기 전도도 사이에는 상쇄 관계가 있어, 제베크 계수가 높을수록 캐리어 농도가 감소하고 전기 전도도가 감소한다.

텔루르화 비스무트는 높은 전기 전도도와 매우 낮은 격자 열전도도를 가지는 것으로 보고되었다.

2.2. 열전도도

텔루르화 비스무트는 삼각 결정 구조를 갖는 좁은 띠 간격의 층상 반도체이다. 가전자대와 전도대 구조는 반사면에 중심이 있는 6개의 등 에너지 타원체로 구성된 다중 타원체 모델로 설명할 수 있다. 인접한 텔루륨 원자 사이의 반 데르 발스 결합으로 인해 삼각 축을 따라 쉽게 절단된다. 이로인해 텔루르화 비스무트 기반 재료는 다결정질이어야 한다. 또한, 벌크 의 제베크 계수는 실온 근처에서 상쇄되어, 발전 장치에 사용되는 재료가 비스무트, 안티몬, 텔루륨 및 셀레늄의 합금이 되도록 한다.

텔루르화 비스무트는 1.1×10⁵ S·m/m²의 높은 전기 전도도와 1.20 W/(m·K)의 매우 낮은 격자 열전도도를 갖는다고 보고되었다. 이는 일반적인 유리와 유사한 수준이다.

3. 위상 절연체로서의 특성

텔루르화 비스무트는 잘 연구된 위상 절연체이다. 텔루르화 비스무트의 물리적 특성은 전도 표면 상태가 노출되고 고립될 때, 매우 얇은 두께에서 변화하는 것으로 나타났다. 이러한 얇은 시료는 에피택시 또는 기계적 박리법을 통해 얻어진다.

분자선 에피택시 및 유기 금속 화학 기상 증착과 같은 에피택셜 성장 방법은 얇은 시료를 얻는 일반적인 방법이다. 이러한 기술을 통해 얻은 시료의 화학량론은 실험 간에 크게 다를 수 있으므로, 상대적인 순도를 결정하기 위해 라만 분광법이 자주 사용된다. 그러나 얇은 시료는 낮은 융점과 열 분산 불량으로 인해 라만 분광법에 잘 적용되지 않는다.

의 결정 구조는 삼각 축을 따라 절단하여 얇은 시료를 기계적으로 박리할 수 있게 해준다. 이 과정은 에피택셜 성장에 비해 수율이 현저히 낮지만, 결함이나 불순물이 없는 시료를 생성한다. 벌크 흑연 시료에서 그래핀을 추출하는 것과 유사하게, 이는 점차 얇아지는 시료에 접착 테이프를 부착하고 제거하여 수행된다. 이 절차는 1 nm 두께의 조각을 얻는 데 사용되었다. 그러나 이 과정은 표준 Si/SiO₂ 기판에 상당한 양의 접착제 잔류물을 남길 수 있으며, 이는 차례로 원자력 현미경 측정 결과를 가리고 테스트 목적으로 기판에 접점을 배치하는 것을 방해한다. 산소 플라즈마, 끓는 아세톤 및 아이소프로필 알코올과 같은 일반적인 세척 기술은 잔류물을 제거하는 데 효과적이지 않다.

3.1. 박막 시료 제작 방법

3.1.1. 박리 후 세척 문제

일반적인 세척 기술(산소 플라즈마, 끓는 아세톤, 아이소프로필 알코올 등)은 접착제 잔류물 제거에 효과적이지 않다.

4. 생성 및 합성

의 광물 형태는 비교적 희귀한 텔루로비스무트광이다. 다양한 화학 양론을 가진 많은 천연 비스무트 텔루라이드와 (테트라디마이트)와 같은 Bi-Te-S-(Se) 계열의 화합물이 있다. 이러한 비스무트 텔루라이드는 테트라디마이트 광물 그룹의 일부이다.

비스무트 텔루라이드는 비스무트와 텔루륨 금속의 혼합 분말을 진공 상태(밀봉되지 않거나 누출되는 샘플은 용광로에서 폭발할 수 있으므로 중요함)에서 석영 튜브에 밀봉하고 전기로에서 800 °C로 가열하여 간단하게 제조할 수 있다.

4.1. 관련 광물

다양한 화학 양론을 가진 천연 비스무트 텔루라이드와 Bi-Te-S-(Se) 계열 화합물(예: 테트라디마이트)이 존재한다. 의 광물 형태는 비교적 희귀한 텔루로비스무트광이다. 이러한 비스무트 텔루라이드는 테트라디마이트 광물 그룹의 일부이다.