Effiziente Thermoelektrika basierend auf Silizium Nanogittern

Thermoelektrische Elemente wandeln einen Wärmestrom in nutzbare, elektrische Leistung um. Diese werden durch die Gütezahl ZT charakterisiert, welche für die besten bekannten thermoelektrischen Materialien wie Bismuttellurid (Bi2Te3) und Bleitellurid (Pb2Te3) einen Wert von etwa eins erreicht. Der Wirkungsgrad dieser Thermoelektrika ist jedoch immer noch zu niedrig um eine breite Anwendung bei der Verwertung von Abwärme oder bei Kühlprozessen zu ermöglichen. Weitere Nachteile dieser Materialien sind das äußerst seltene Vorkommen von Te. Andererseits bieten Nanostrukturen die Möglichkeit, gewisse Materialeigenschaften gezielt einzustellen, sodass auf diese Weise gute thermoelektrische Eigenschaften erreicht werden können. Dafür können auch leicht verfügbare, preiswerte Ausgangsmaterialien mit ungünstigen thermoelektrischen Eigenschaften verwendet werden, wie etwa Silizium mit einem ZT Wert von nur 0.01. Für Si-basierte Verbundstrukturen, 1D Quantendrähte und 2D Übergitter wurden bereits ZT Werte nahe eins nachgewiesen. Eine kürzlich vorgeschlagene, neue Nanostruktur ist nano- poröses Si, auch als Si-Nanogitter bezeichnet. Ein wesentlicher Vorteil dieser Nanostruktur liegt im Vorhandensein von etablierten und kosteneffektiven Herstellungsprozessen. In diesem Projekt werden die thermoelektrischen Transporteigenschaften von Si-Nanogittern theoretisch untersucht. Ein gutes thermoelektrisches Material soll eine geringe thermische und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Wichtige Aufgaben in diesem Projekt sind daher die Untersuchung von i) der elektronischen und phononischen Bandstrukturen und ii) der elektronischen und phononischen Transporteigenschaften von Si-Nanogittern. Es werden Geometrien mit charakteristischen Abmessungen im Bereich von wenigen 100nm bis zu wenigen Nanometern untersucht. Entsprechend den Abmessungen werden entweder k*p Modelle für eine Kontinuumsbeschreibung oder das tight-binding Modell sp3d5s* für eine atomistische Beschreibung der elektronischen Bandstruktur verwendet. Für die Berechnung der phononischen Bandstruktur werden ebenfalls Kontinuummodelle und die atomistische "valence-force-field"Methode verwendet. Die Beschreibung des elektronischen Transports erfolgt semiklassisch durch die Boltzmanngleichung oder quantenmechanisch durch Nichtgleichgewichts-Greensche Funktionen. Der Phononentransport wird, abhängig von den charakteristischen Abmessungen, durch diffusive oder kohärente Methoden beschrieben. Die elektronischen und phononischen Eigenschaften von Si-Nanogittern werden mit dem Ziel untersucht, Entwurfskonzepte zur Optimierung des thermoelektrischen Wirkungsgrads zu entwickeln. In Speziellen werden folgende offenen Fragestellungen untersucht: i) Abschwächung der gegenseitigen Abhängigkeit von Seebeckkoeffizient und elektrischer Leitfähigkeit, da diese hauptverantwortlich für die Begrenzung des ZT Wertes ist; ii) Verständnis und gezielte Beeinflussung der elektronischen Bandstruktur von Nanogittern iii) Gezielte Beeinflussung der elektronischen Bandstruktur und der Zustandsdichte durch Auffüllen der Poren von Nanogittern mit geeigneten Materialien; iv) Untersuchung, wie weit mit dem Konzept des phononischen Kristalls die thermische Leitfähigkeit gesenkt werden kann. Ein Ziel dieses Projekts ist der theoretische Nachweis von Maßnahmen, mit denen mit Si- basierten thermoelektrischen Konvertern ein Wert ZT > 3 erreicht werden kann. Dieser Wert wäre für eine breite, wirtschaftliche Anwendung erforderlich.

Etwa 70% der gesamten, weltweit erzeugten Energie geht als Abwärme verloren. Thermoelektrika sind spezielle Materialien, mit welchen ein Teil dieser Abwärme in nutzbare Energie umgewandelt werden kann. Jedoch ist der Wirkungsgrad dieser Methode zur Energieerzeugung für eine großflächige, kommerzielle Anwendung noch zu gering, sodass ihre Anwendung derzeit auf Nischenbereiche beschränkt bleibt. Um den Wirkungsgrad zu steigern, konzentriert sich die aktuelle Forschung auf die Erzeugung künstlicher Materialien mittels Nano-Strukturierung. Dies ist jedoch ein teurer Prozess, und Art und Größe der Nanostrukturen, die einen hohen thermoelektrischen Wirkungsgrad erreichen, sind kaum untersucht. Grundsätzlich wird ein hoher Wirkungsgrad dann erreicht, wenn die thermische Leitfähigkeit des Materials gering und die elektrische Leitfähigkeit gleichzeitig hoch ist. Dieses Projekt verfolgt zwei Ziele: i) das Potential von Silizium für thermoelektrische Anwendungen zu untersuchen, da dieses das meist verwendete Material in der Halbleiterindustrie ist und daher ausgereifte Prozesstechnologien existieren; und ii) Entwurfsstrategien für Nanostrukturen zu identifizieren, welche zu einer deutlichen Steigerung des thermoelektrischen Wirkungsgrades führen. Zuerst wurde untersucht, wie effektiv sich die Wärmeleitfähigkeit von Silizium durch den Einschluss von nano-skaligen Poren reduziert lässt. Monte-Carlo-Simulationen haben gezeigt, dass diese Methode besonders dann effektiv ist, wenn die Poren eine bestimmte Größe besitzen und ihre Oberfläche sehr rau ist. Weiters wurde die Möglichkeit der Wirkungsgradsteigerung durch Modulations-Dotierung und elektrostatische Dotierung von Nanodrähten aufgezeigt. Durch diese Methoden ist eine Erhöhung des sogenannten thermoelektrischen Leistungsfaktors um das Fünffache theoretisch möglich. Schließlich wurden Mehrschichtsysteme untersucht, wobei dünne Schichten mit sehr hoher Elektronenkonzentration mit Schichten, die als Energiebarriere wirken, abwechseln. Durch die beim Stromtransport entstehende Energie-Filterung kann bei optimaler Wahl der Schichtdicken der Leistungsfaktor um etwa 30% gesteigert werden. Allerdings hat die Untersuchung auch gezeigt, dass dieser Zugewinn durch herstellungsbedingte statistische Schwankungen der Schichtdicken teilweise oder ganz verloren gehen kann. Maßnahmen, die den Einfluss dieser Schwankungen reduzieren, wurden vorgeschlagen.