Nanostrukturierte Thermoelektrika

  Beziehung zwischen Struktur, Chemie und thermoselektrischer Leistung eines thermoelektrischen Materials Ag16.7Sb30Te53.3 Urheberrecht: Cojocaru-Mirédin et al., ACS Applied Materials & Interfaces 2017, 9, 14779-14790 Abbildung 1. Beziehung zwischen Struktur, Chemie und thermoelektrischer Leistung von Ag16.7Sb30Te53.3

Nanostrukturierte ThermoelektrikaThermoelektrische Materialien sind in der Lage, Wärmeenergie und Strom direkt miteinander zu konvertieren und damit als vielversprechender Kandidat für die nachhaltige Energieproduktion mit kohlenstofffreier Emission zu betrachten. Die Achillesferse, die eine breite Anwendung der thermoelektrischen Technologie begrenzt, ist ihre geringe Umwandlungseffizienz. Der thermoelektrische Umwandlungswirkungsgrad wird im allgemeinen durch die dimensionslose Leistungszahl, ZT, ausgedrückt als:

\(ZT = \frac{S^2\sigma T}{k_e + k_l}\)

wobei S der Seebeck-Koeffizient ist, σ die elektrische Leitfähigkeit, T die Temperatur, k_e die elektronische Wärmeleitfähigkeit und k_l die Gitterwärmeleitfähigkeit, welche als einzige unabhängig modifiziert werden kann. So hat die Verringerung der Gitterwärmeleitfähigkeit k_l durch die Einführung von Nanostrukturen in den letzten Jahrzehnten intensive Aufmerksamkeit erregt.

In der "Atomprobe" Gruppe untersuchen wir diese Nanostrukturen mit unserem einzigartigen Möglichkeiten, nämlich der korrelativen Mikroskopie, d.h. Kombination der Atomsonden-Tomographie (APT) mit Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Elektronen-Rückstreuungsbeugung (EBSD). Die Konfiguration von Nanostrukturen kann durch TEM und EBSD charakterisiert werden, während die chemische Zusammensetzung im Nanometerbereich praktisch sehr schwer durch EDX oder EELS zu bestimmen ist. Daher hat APT eine einzigartige Fähigkeit, die chemische Zusammensetzung von Nanostrukturen auf der Nanoskala und in 3D zu messen. Unser übergeordnetes Ziel ist es, die Korrelation zwischen Struktur, Zusammensetzung und thermoelektrischen Eigenschaften zu verstehen, indem wir die TEM, EBSD und APT, die an der gleichen Stelle auf der Probe erhalten wurden, korrelieren. Diese Erkenntnisse werden uns dazu veranlassen, neuartige thermoelektrische Materialien mit hoher thermoelektrischer Leistung zu entwerfen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.