Grenzflächen-Engineering von thermoelektrischen Materialien durch Atomlagenabscheidung (pALD)

• Antragsteller: Dr.-Ing. Amin Bahrami, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516355940

Thermoelektrische Materialien sind beliebte Alternativen zur Anwendung im Bereich der Energieumwandlung aufgrund ihrer überlegenen Leistung und Beständigkeit. Großer Aufwand wurde betrieben, um die Effizienz in Ein- und mehrphasigen Kompositen, die Zweitphasen enthalten, zu verbessern. Die Einbringung von Zweitphasen in die Matrix eines thermoelektrischen Materials erhöht den Wirkungsgrad signifikant. Korngrenzen im Nano-/Mikrometerbereich sorgen für eine Reduktion der Wärmeleitfähigkeit aufgrund der hohen Grenzflächendichte und spezielle Modifikationen der Elektronenstruktur verstärken den Powerfaktor (PF) der Materialien. Mit konventionellen Herstellungsrouten wie Mahlen oder Hydrothermalsynthesen ist es schwierig konsistent Multiphasen Kompositmaterialien mit optimaler Zusammensetzung zu synthetisieren. Andererseits führt die hohe Energiedichte vielzahliger Korngrenzen zu einer thermodynamisch instabilen Nanostruktur, wodurch das Material anfällig für spontane Zersetzung während des Sinterprozesses und beim Langzeitbetrieb bei hohen Temperaturen wird. Mit der Technik der Atomlagenabscheidung (ALD) steht ein einzigartiger Ansatz zur Verfügung mit dem, aufgrund der sehr gleichmäßigen und konformen Beschichtung, die Oberfläche thermoelektrischer Partikel kontrolliert verändert werden kann und damit beide zuvor genannten Bedenken ausräumt. Der Zweck dieses Projektes ist damit die Phononenstreuung zu verbessern und/oder den PF unterschiedlicher thermoelektrischer Materialien (Mg3Sb2, Bi2Te3 und Halb-Heusler Verbindungen) zu erhöhen, indem mittels ALD-Technologie ausgewählte Materialien (Oxide, Halbleiter und Metalle) präzise an der Oberfläche eines einzelnen Partikels abgeschieden werden. Neben der Synthese der TE-Materialien müssen neue ALD Rezepte entwickelt werden, um einen bestmöglichen Umgang mit den oftmals Luft- und Feuchtigkeitssensitiven TE-Materialien zu gewährleisten. Wir erwarten, dass die für diesen Antrag entwickelten neuartigen ALD-Rezepte nicht nur die Phononenstreuung und den PF verbessern, sondern dass diese auch für andere Forschungsbereiche wie Katalyse, Sensorik, 3D Metalldruck usw., interessant sein werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Mitverantwortlich: Dr. Ran He
• Kooperationspartner: Professor Zhifeng Ren