Thermoelektrische Materialien im Legierungssystem Bi2Te3-In2Te3

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Rettenmayr (†)
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 265148924

Thermoelektrische Materialien mit nanoskaligen Gefügebestandteilen werden derzeit als äußerst vielversprechende Komponenten für thermoelektrische Generatoren mit hoher Effizienz gehandelt. Im beantragten Forschungsvorhaben soll das Gefüge auf der Meso- und Nanoskala in Bi2Te3-In2Te3 gezielt eingestellt werden, um die thermoelektrischen Eigenschaften zu optimieren. Die Struktur- Eigenschaftsbeziehungen bezüglich Zusammensetzung, Homogenität, Gitterstruktur und deren Anisotropie werden bestimmt. Zu diesem Zweck wird ein neues Verfahren des Zonenschmelzens mit Impfkristall entwickelt, das eine deutlich bessere Kontrolle von Homogenität, kristallographischer Orientierung und Korngrenzendichte erlaubt. Die entsprechenden strukturellen Kenngrößen werden unabhängig voneinander einstellbar sein, wodurch deutlich verbesserte thermoelektrische Eigenschaften zu erwarten sind. Dies wird die bisher in der Literatur dokumentierten Ergebnisse wesentlich erweitern, da bislang nur Messungen über isotrope polykristalline Materialien mit lückenhaften Daten zu den thermoelektrischen Eigenschaften bekannt sind. Zum ersten Mal sollen die kristallographischen und mikrostrukturellen Parameter systematisch mit den Eigenschaften korreliert werden. In einem ersten Schritt werden orientierte Kristalle aus Bi2Te3 mit gelöstem In und reduzierter Korngrenzendichte hergestellt. Dazu wird gerichtete Erstarrung einer flüssigen Zone eingesetzt, wobei die Erstarrung auf einem Impfkristall erfolgt, der eine von der Probe unterschiedliche Zusammen-setzung hat. Es ist zu erwarten dass vollkommen homogene Kristalle aus Bi2Te3 mit einem frei wählbaren Gehalt an gelöstem In erzeugt werden können. Außerdem ist über den Impfkristall die Orientierung gezielt einstellbar. Das pseudobinäre Phasendiagramm ist Grundlage für die Wahl der Konzentration der erstarrenden Legierung und des Impfkristalls. Da zu diesem Phasendiagramm widersprüchliche Informationen vorliegen, wird es zunächst experimentell bestimmt. In einem zweiten Schritt werden Wärmebehandlungen durchgeführt, durch die in der Bi2Te3-Matrix nanoskalige In2Te3-Partikel ausgeschieden werden. In gezielt orientierten Kristallen sind derartige Experimente bislang nicht in der Literatur dokumentiert. Charakterisierung der Ausscheidungen in Bezug auf Orientierungsbeziehung zur Matrix und Spannungsverteilung um die Partikel erfolgt im Transmissionselektronenmikroskop mit höchster räumlicher Auflösung. Schließlich werden Messungen der thermoelektrischen Eigenschaften durchgeführt, um die kontrolliert einstellbaren Gefügeparameter mit den thermoelektrischen Eigenschaften zu korrelieren. Die unabhängige Kontrolle von Homogenität, Kristallorientierung und mikrostrukurellen Längenskalen lässt erwarten, dass ihr Einfluss auf den Seebeck-Koeffizient, die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit ausgenützt werden kann, um eine bislang nicht erreichte thermoelektrische Effektivität zu erzeugen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen