Neue Materialien für thermoelektrische Anwendungen

Forschungsprojekt P 13778Neue Materialien für thermoelektrische AnwendungenE. BAUER und P. ROGL11.10.1999 Thermoelektrische Einrichtungen eignen sich insbesondere für Anwendungen; in denen Einfachheit und Verläßlichkeit sowie das Fehlen beweglicher Teile und geräuscharme Operation die relativ hohen Kosten und ihren niedrigen Wirkungsgrad aufwiegen: punktgenaue elektronische Kühlung, Luft- und Wasserkühlung, Kühlung von Infrarot-Detektoren etc. Die Anwendung von thermo-elektrischen Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie könnten sich insbesondere als sinnvoll erweisen für: Wetterstationen an abgelegenen Orten, Navigations und Steuereinheiten an schlecht erreichbaren Plätzen sowie in der Ausnützung der Abfallwärme, die in verschiedenen Industriezweigen anfällt (Stahlindustrie, chemische Industrie) bzw. als Abfallwärme in Betrieb von Öl oder Gas-betriebene Motoren (Automobilindustrie). Für die neu entdeckten Phasen mit Skutterudit-typ EP1- xM4X12 haben sich Leistungskennzahlen (figures of merit) ergeben, die, obwohl noch nicht optimiert, sich mit den besten bisher bekannten Werten vergleichen können.Weiters bieten die Eigenheiten des Strukturtyps der Skutterudite mit seinen Defekt-Modus zahlreiche Möglichkeiten über Substitution der Konstituenten die Elektronendichte an der Fermikante bzw. das Phononenspektrum zu ändern um dadurch den Seebeck Koeffizienten und die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen bzw. die thermische Leitfähgkeit zu senken. Bislang sind nur wenige Versuche bekannt, Verbindungen homologer Elemente zu synthetisieren, die zu Valenzinstabilitäten tendieren wodurch in einern angeregten Zustand ein höheres Volumen erreicht wird und damit eine Skutteruditverbindung stabilisiert werden kann. Die Antragsteller haben weiters in einer kürzlich zur Publikation eingereichten Arbeit gezeigt, daß die Theorie von Danebrock nicht allgemein anwendbar ist. In Bezug auf diese existierende Kontroverse im theoretischen Verständnis des physiko-chemischen Verhaltens der Skutterudite, soll das vorgestellte Projekt daher die physikalischen Eigenschaften dieser neuen und technisch interessanten Materialien im Detail untersuchen, mit besonderem Augenmerk auf die Synthese und Entwicklung einer neuen Generation thermoelektrischer Materialien. Der Umfang des vorgestellten Projektes resultiert aus der wissenschaftlichen Komplementaritift der beiden beteiligten Laboratorien (Inst. f. Experimentalphysik der TU-Wien und Inst. f. Physikalische Chemie der Univ. Wien) sowie aus dem effizienten Einsatz komplementdrer Einrichtungen und Know-hows. Folgende Untersuchungen sind geplant: * Suche nach neuen ternären Verbindungen in den Systemen Yb1-xM4X12 wobei M ein Übergangselement aus der Eisen bzw. Platinmetallgruppe ist und X ein Pnicogen ist (As,Sb,Bi). * Einsatz der Lebeau-Methode zur Herstellung von Einkristallen aus den obenangeführten Systemen aus metallischen Lösungen bzw. Hilfsmetallbädern. * Strukturchemische Charakterisierung der hergestellten Proben und Verbindungen mittels Röntgenbeugungsmethoden an Pulvern (Rietveldanalyse) oder Einkristallen. * Feststellung der Löslichkeitsbereiche, Charakterisierung der Kristallstrukturen; Kontrolle der physikalischen Eigenschaften durch Atom-Substitution in den Lösungssystemen höherer Ordnung: Ybl-xM4X12, 0 < x < 1; Ybl- x(M1-xM`x)4X12, 0 < y < 1 und Yb1-x(M1-yM`y)4(X1-zX`z)12, 0 < Z < 1. * Mechano-Synthese fester Lösungen die durch konventionelle Herstellungsmethoden nicht erhalten werden können. Dies betrifft insbesondere die Substitution durch Wismut, das z.B. im binären System Fe-Bi eine enorm große Mischungslücke ausbildet und dadurch auch im ternären die Verbindungsbildung über den Schmelzweg und Hochtemperatursinterprozesse stark beeintrachtigt. * Ermittlung der physikalischen Eigenschaften in einem weiten Parameterbereich, speziell der Transporteigenschaften (elektrischer Widerstand, thermische Leitfähigkeit und Thermokraft) sowie magnetische und thermodynamische Größen. * Optimierung der physikalischen Eigenschaften in den obengenannten festen Lösungen im Hinblick auf die maximal erreichbare Leistungskennzahl (Figure of Merit) für die Konversion thermischer in elektrische Energie. * Weitere Optimierung der Leistungskennzahl (Figure of Merit) bzgl. der Material-Herstellungsverfahren z.B. Preßdichte, geeignete Sinterdichte als Funktion der Temperatur, Zugabe von chemisch inerten Füllstoffen. Direkte intensive wissenschaffliche Kontakte zwischen den Antragstellern und wissenschafflichen Institutionen in Villigen-PSI (Schweiz, P.Fischer), CNRS-Vitré (C.Godart), CEA-Saclay (Frankreich, P.Bonville) haben in den letzten Jahren zu einer Reihe erfolgreicher Kooperationen geführt, die sich in einer Anazhl gemeinsamer Publikationen niedergeschlagen haben. Obwohl eine Auswahl spezieller Experimente in Wien durchgeführt werden kann, soll zusätzliche Information aus verschieden externen Forschungszentren erlangt werden. Für das beantragte Projekt wäre ein direkter Zugang zu den Neutronen Spallationsquelle in PSI-Villigen, zur X-ray Absorptions- Spektroskopie im LURE-Orsay und zur Yb Mößbauer Spektroskovie im CEA-Saclay wünschenswert, da derartige Einrichtungen bislang in Österreich nicht existieren. Solche Experimente würden es ermöglichen Antworten auf folgende Fragen zu erhalten: (a) magnetischer Zustand und Spinordnung, Fehlstellenverteilung im Gitter, möglich amorphe Antcile; (b) Charakter und Ausmaß der Yb-Valenz; (c) Magnetischer Zustand der Yb-lonen.