. . Nanostrukturierte Skutterudite
Die Arbeitsgruppe „Thermische Sensoren“ ist mit maßgeblichen Beiträgen zur pulvertechnischen Präparation und thermoelektrischen Charakterisierung am EU-Verbundprojekt “NanoThermEl” (5. Rahmenprogramm) beteiligt, das die Entwicklung von hocheffektiven nanostrukturierten Thermoelektrika in den Materialfamilien der Skutterudite, Clathrate und Zinkantimonid vorantreibt. Skutterudite sind eine umfangreiche Substanzklasse basierend auf der Verbindung Cobaltantimonid. Im Projekt werden sie am Royal Technical Institute, Stockholm durch ein neuartiges chemisches Verfahren der Ko-Präzipitation der Komponenten aus wässriger Lösung präpariert. Die nachfolgende thermische Behandlung führt zu nano-skaligen Pulvern. Konsolidierte Proben aus diesen Pulvern sind reich an Korngrenzen. Unter bestimmten Bedingungen wirken solche Korngrenzen stärker streuend auf Phononen als auf die elektrischen Ladungsträger, wodurch das Verhältnis von elektrischer zu thermischer Leitfähigkeit und damit die Güte des thermoelektrischen Materials erhöht werden kann. Zur Steuerung der Ladungsträgerdichte bei der Materialoptimierung sowie zur Senkung der Wärmeleitfähigkeit werden im Projekt Skutterudite mit Substitution von Co (z. B. durch Ni) und von Sb (z. B. durch Te) sowie kombiniert substituierte Mischkristalle präpariert und ihre strukturellen und funktionellen Eigenschaften untersucht. In den laufenden Arbeiten konnte die Gütezahl solcher Materialien über die besten bekannten Werte vergleichbarer Substanzen hinaus gesteigert werden. Durch Einführung eines zusätzlichen Mechanismus der Phononenstreuung an „rasselnden Atomen“, d. h. interstitiellen Fremdatomen, die große Hohlräume der Kristallstruktur („Käfige“) füllen und dort nur sehr schwach gebunden sind, ist eine weitere maßgebliche Verbesserung der Materialeigenschaften erreichbar.
Optimierte einkristalline Peltier-Materialien
Bismuttellurid-basierte Mischkristalle mit extrem hoher Homogenität hinsichtlich der funktionellen Materialeigenschaften und mit höchster thermoelektrischer Effektivität werden in Zusammenarbeit mit russischen Instituten entwickelt. Ein Pinning-Effekt des Fermi-Niveaus an einem Störstellen-Resonanzniveau im Leitungsband, der bei hoher Sn-Dotierung auftritt, wird ausgenutzt, um die thermoelektrischen Eigenschaften über einen breiten Temperaturbereich bei hohen Werten zu stabilisieren.