Seebeck-Mikro-Thermosonde

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Der Seebeck-Koeffizient S als wichtigste thermoelektrische (TE) Materialgröße wird bestimmt durch das thermoelektrische Halbleitermaterial selbst, durch die chemische Materialzusammensetzung (z. B. bei Mischkristallen) sowie durch die Mikrostruktur, insbesondere die Konzentration von Korngrenzen oder das Vorliegen von elektrisch leitfähigen Einlagerungen. Der Seebeck-Koeffizient ist durch die Mechanismen des Ladungs- und Wärmetransports systematisch mit der Ladungsträgerdichte, der elektrischen Leitfähigkeit, der thermischen Leitfähigkeit und der thermoelektrischen Effektivität verknüpft.

In den meisten TE Materialien ist S zudem eine stark temperaturabhängige Materialeigenschaft. Lokale Scans des Seebeck-Koeffizienten über ausgedehnte Probenbereiche bei konstanter Temperatur liefern eine unikale Charakterisierungsmöglichkeit zur Homogenität des Materials hinsichtlich der elektrischen Funktionseigenschaften. Da der Seebeck-Koeffizient systematisch zur elektrischen Leitfähigkeit korreliert ist, eignet sich diese Technik auch zur Prüfung von Standard-Materialien der Halbleiter-Technologie hinsichtlich ihrer Homogenität der Dotierungsverteilung.

Das einfache Funktionsprinzip wurde an der Martin-Luther-Universität (MLU) Halle-Wittenberg (Dr. P. Reinshaus) in einem automatisierten Aufbau zur Homogenitäts-Charakterisierung von TE Materialien implementiert.

Neben den Verfahren zur temperaturabhängigen Eigenschaftsbestimmung an homogenen monolithischen Proben ist für die Entwicklung funktionsgradierter TE Materialien eine in Sub-Millimeter-Dimensionen ortsauflösende Messung des Seebeck-Koeffizienten von besonderem Interesse. Das DLR hat diese unikale Technik vom Kooperationspartner (MLU) übernommen, weiterentwickelt und für eine Vielzahl von transportphysikalischen und technologischen Problemstellungen diagnostisch eingesetzt, so z. B.

• für bismuttellurid-basierte thermoelektrische Materialien zur Homogenitätsanalyse und darauf aufbauende halbleiterphysikalische Auswertung,
• Analytik funktionell gradierter bzw. segmentierter Strukturen
• Phasenhomogenität von normalerstarrtem Zinkantimonid
• elektrische Homogenität von großen Clathrat-Kristallen aus der Czochralski-Züchtung
• funktionelle Homogenität großvolumiger Presslinge und Sinterkörper sowie
• als Schnellverfahren zur Ermittlung des Seebeck-Koeffizienten an beliebig geformten Proben bei Raumtemperatur.

Von besonderer Bedeutung ist das Verfahren für die präparative Materialentwicklung, da es bereits eine Seebeck-Messung ermöglicht, selbst wenn erst nadelförmige Kristalle von ca. 100 µm Dicke dargestellt werden können. Die Möglichkeit der Seebeck-Messung an einzelnen Mikrokristallen ermöglicht einen direkten Vergleich mit den Funktionseigenschaften, die an monolithischen (z. B. gepressten polykristallinen) Proben integral gemessen wurden.

Die Weiterentwicklung zur temperaturabhängigen Seebeck-Sonde ist vorgesehen.

Technische Kennwerte:

Ortsaufgelöste 1D- und 2D-Scans Signalauflösung S/S:<2%
Maximaler Offset: 2 µV/K
Ortsauflösung: 0...50 µm
(abhängig von der Wärmeleitfähigkeit der Probe)
Ortsauflösung (dynamischer Modus): 1 µm
Positionierungsgenauigkeit: < 1 µm
Betrieb bei Raumtemperatur
(erweiterbar für Temperaturbereich 90-400K)
Temperaturstabilität: 0.1K
Messdauer pro Punkt 1-5s
Zerstörungsfreies Prüfverfahren
Ausgabeformate: Linienscans, Flächenscans als Wasserfallgrafik oder Falschfarben-Mapping, Statistik der Messwert-Häufigkeiten