Seebeck effect is the phenomenon where a temperature difference generates an electro motive force, and it can be numerically expressed by the Seebeck coefficient. Two-dimensional transition metal dichalcogenide (TMDC) thin films are promising materials for thermoelectric devices due to their excellent electronic and phonon transport properties and outstanding features such as band gap engineering and thickness control. However, it is inevitable for two-dimensional materials to have high resistance values due to their atomic-scale thickness and contact instability. Therefore, measuring the precise Seebeck coefficients of such high resistance thin films is extremely challenging and limited.It is also impossible to measure the Seebeck coefficients of PtSe2 thin film with a thickness of ~3 nm due to the extremely high resistance exceeding 2 MΩ. However, by introducing rapid thermal annealing (RTA) process at 300℃, the Seebeck coefficient is measurable and its value is ~160 µV/K which is 400% higher than single-crystalline PtSe2 bulk. Additionally, the RTA process was divided into two steps and various analyses were conducted using Raman, XPS, and TEM images for investigating the impact of each step on the PtSe2 thin film itself and on the interface between the film and the electrode. As a result, it was possible to identify the occurrence of Se vacancies of film during the RTA process and diffusion of Pt atoms into the vacancies. These findings are expected to further understand the Seebeck effect in two-dimensional thin films and utilize as a novel tool for enhancing thermoelectric properties.
열전 효과 중 하나인 제벡 효과는 온도 차이가 기전력을 발생시키는 효과로 제벡 계수에 의해 수치적으로 표현될 수 있다. 2차원 전이금속 칼코젠 화합물(TMDC) 박막 물질의 경우 우수한 전자, 포논 수송 특성과 밴드 갭 엔지니어링 및 두께 조절 등 뛰어난 특성들로 인해 열전 소자의 소재로써 유망한 물질로 주목받고 있다. 그러나 2차원 물질의 특성상, 얇은 두께나 전극 접촉부의 불안정성, 박막의 비결정성 등 다양한 원인으로 과도하게 높은 전기적 저항 값은 불가피하고 이러한 고저항 박막의 정확한 제벡 계수를 측정하는 것은 매우 까다로우며 제한적이다. 약 3 nm 두께를 가지며 2 MΩ 이상의 저항 값을 갖는 PtSe2 박막 역시 제벡 계수 구하는 것이 불가능하였으나 300℃에서 진행한 급속 열처리 공정을 추가로 삽입하여 PtSe2 bulk에 비해 4배 큰 값인 약 160 µV/K의 제벡 계수를 측정할 수 있었다. 추가로 열처리 공정을 2단계로 세분화하여 각 공정이 PtSe2 박막 자체에 미치는 영향과 박막과 전극의 접촉 계면에 미치는 영향에 대해 Raman, XPS, TEM 이미지 등을 통해 심층적으로 분석하였다. 최종적으로 열처리 공정 전후의 열처리시 박막에 Se vacancies가 발생한다는 사실과 추가 열처리를 통해 전극 Pt의 확산 메커니즘을 규명할 수 있었다. 본 연구 결과를 통해 2차원 박막의 제벡 효과의 이해를 도울 것이며 더 나아가 열전 특성을 향상시키는 새로운 도구로써 활용될 것으로 기대한다.