Single-crystal layers of p-and n-type bismuth telluride topological insulators for micro-cooling devices

Abstract

The paper presents the results of experimental studies of the thermoelectric properties and oscillation effects (Shubnikov-de Haas oscillations) of single-crystal layers of bismuth telluride topological insulators of p-and n-type without substrates, with thicknesses of 17 μm and 20 μm, respectively, obtained by mechanical exfoliation of layers from a single crystal ingot of the corresponding composition using a technique developed by the authors of the article. Cyclotron masses and charge carrier quantum mobilities characteristic of surface states of topological insulators were estimated using experimental data on Shubnikov-de Haas oscillations in longitudinal (B (Formula Presented) I) and transverse (B (Formula Presented) I) magnetic fields up to 14 T. The force factor was calculated in the temperature range of 2–300 K from the temperature dependences of resistance and thermoelectric power. It was established that the maximum value of the power factor (Formula Presented) was observed in the temperature range of 100–250 K and corresponds to the best maximum values available in the literature for perfect single crystals. Based on the obtained layers of Bi2Te3p-type and n-type foil – Bi-17 at%, a design was created – a micro-cooling device that allows obtaining ΔT = 12o on the area of 0.01 cm2which is an important factor for the development of new highly efficient thermoelectric materials based on thinner layers for their practical use in micro coolers.

У статті представлені результати експериментальних досліджень термоелектричних властивостей та коливальних ефектів (коливань Шубнікова-де Гааза) монокристалічних шарів топологічних ізоляторів телуриду вісмуту p- і n-типу без підкладок, товщиною 17 мкм та 20 мкм відповідно, отриманих шляхом механічного відшаровування шарів з монокристалічного злитка відповідного складу за методикою, розробленою авторами статті. Циклотронні маси та квантові рухливості носіїв заряду, характерні для поверхневих станів топологічних ізоляторів, були оцінені з використанням експериментальних даних про коливання Шубнікова-де Гааза в повздовжніх (B//I) та поперечних (BI) магнітних полях до 14 Tл. Коефіцієнт сили був розрахований в діапазоні температур 2–300 K за температурними залежностями опору та термоерс. Встановлено, що максимальне значення коефіцієнта потужності спостерігається в діапазоні температур 100–250 K і відповідає найкращим максимальним значенням, доступним в літературі для ідеальних монокристалів. На основі отриманих шарів фольги Bi2Te3 p-типу і n-типу – Bi-17 ат%, було створено конструкцію – мікроохолоджувальний пристрій, який дозволяє отримати ΔT = 12o на площі 0.01 см2, що є важливим фактором для розробки нових високоефективних термоелектричних матеріалів на основі тонших шарів для їх практичного використання в мікроохолоджувачах.