nanostrukturierte thermoelektrische materialien · thermoelektrizität 3 was ist...
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Prof. Dr. Martin S. Brandt,
Dipl.-Phys. Anton Greppmair, Dr. rer. nat. Benedikt Stoib
Technische Universität München
Walter Schottky Institut, Physik Department, Lehrstuhl E25
Nanostrukturierte
thermoelektrische Materialien
3rd International Congress
Next Generation Solar Energy Meets Nanotechnology
23 - 25 November 2016, Erlangen
Abschließende Ergebnisse im Projektverbund
Umweltverträgliche Anwendungen der
Nanotechnologie
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Thermoelektrizität
2
Was ist Thermoelektrizität?
Thermische
Energie
Elektrische
Energie
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Thermoelektrizität
3
Was ist Thermoelektrizität?
heiß MinusSeebeck Effekt
Peltier Effekt Pluskalt
Thermische
Energie
Elektrische
Energie
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Thermoelektrische Generatoren (TEGs)
4
Anwendungen in Vergangenheit und Zukunft
TEGs als Baustein für die Energiewendewww.orange.com
www.press.bmwgroup.com
G. J. Snyder, The Electrochemical Society Interface, p.54 (Fall 2008)
www.waeco.com
www.seiko.com
spaceflight.nasa.gov
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Thermoelektrische Generatoren (TEGs)Funktionsweise
5
ZT ist zu maximieren!
G. J. Snyder, E. S. Toberer, Nature materials 7, 105 (2008)
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Thermoelektrische Generatoren (TEGs)Viele toxische Materialien in Anwendung
6
G. J. Snyder, E. S. Toberer, Nature materials 7, 105 (2008)
Es sind zwei Typen
eines Materials nötig!
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WärmeleitfähigkeitReduktion durch Nanostrukturierung
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Herstellung von nanostrukturierten,
thermoelektrischen Materialen
Verwendung von SiGe-Legierungen
statt umweltschädlicher Materialien
wie z.B. Pb
Struktur auf allen Längenskalen kann die Wärmeleitung
reduzieren.
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Thermoelektrika aus NanopartikelnForschung an der TU München
8
10 nm
P5: DrucktechnikP10: Nanoanalytik
Nanopartikel Tinten Nanostrukturierung durch Laser Sintern
Dotierung
Thermische Analytik
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Dotierung von Si- und Ge-NanopartikelnVermeidung giftiger Gase
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Plasma
SiH4/GeH4 PH3/B2H6
Dotieren während
der Plasmasynthese
Dotieren in
wässriger Lösung
Mikrowelle
Kristalline
NanopartikelH3PO4
Hochgiftige Gase!
Verwendung unproblematischer
Lösungen
10 nm
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Flexibles Dotieren in wässriger LösungDotiermechanismus
10B. Stoib et al., Physica Status Solidi A 210, 153 (2013)
B. Stoib et al., Advanced Electronic Materials, 201400029 (2015)
Erlaubt den flexiblen Einsatz von p- und n-Typ Dotanden
Einsatz bei verschiedenen SiGe-Legierungen
Leitfähigkeit durch Flüssigkeitskonzentration um Größenordnungen einstellbar
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Leitung durch LasersinternStrukturgröße
11B. Stoib et al., Applied Physics Letters 100, 231907 (2012)
B. Stoib et al., Physica Status Solidi A 210, 153 (2013)
Sintern von Si und Ge NP führt zu
meanderartigen Dünnfilmen
Die Leitfähigkeit wird erhöht und die
Strukturgrößen ändern sich
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Messung der Wärmeleitfähigkeit κEliminierung des Substrateinflusses
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Präparation freistehender Schichten
Messung der Wärmeleitfähigkeit in
der Probenebene möglich,
ohne verfälschenden Einfluss des
Substrates
Erzeugung eines
Temperaturgradienten durch
lokale optische Anregung
B. Stoib et al., Applied Physics Letters 104, 161907 (2014)
B. Stoib et al., Semiconductor Science and Technology 29, 124005 (2014)
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Messung der Wärmeleitfähigkeit κDie Raman-Shift-Methode
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Anregung durch
fokussierten Laser
Ramansignal birgt
Temperaturinformation
Simulation des
Temperaturverlaufes
liefert die
Wärmeleitfähigkeit
Jeder Pixel muss einzeln gemessen werden.
B. Stoib et al., Applied Physics Letters 104, 161907 (2014)
B. Stoib et al., Semiconductor Science and Technology 29, 124005 (2014)
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Thermographie-MethodePrinzip der Methode
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Thermographie-MethodeMessung der Wärmeleitfähigkeit κ
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Homogene Anregung führt zu
parabolischem Temperaturprofil
Analytische Lösung:
𝑇 𝑟 = −𝑝𝐴𝑏𝑠4 𝜅 𝑑
𝑟2 + 𝑇𝑚𝑎𝑥
𝜅 thermische Leitfähigkeit
𝑝𝐴𝑏𝑠 absorbierte Flächenleistung
𝑑 Filmdicke
PEDOT:PSS-Messungangepasster Paraboloid
Unkalibriert
LED aus
Unkalibriert
LED an
Kalibriert
LED an
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Thermographie-MethodeErgebnisse
16
0 250 500 750 1000
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
The
rmal co
nd
uctivity (
W/m
K)
Electrical conductivity (S/cm)
PEDOT:PSS + DMSO
Fit for Lorenz number:
L = 2.1(2)∙10-8 WK
-2
= ph
+ LT
Methode an Hand von Aluminium, Edelstahl und kristallinem Silizium verifiziert
Ergebnisse für PEDOT:PSS und Polyimid stimmen gut mit Literatur überein
Sandwich-Methode zur Messung von empfindlichen Filmen und IR-
transparenten Filmen
A. Greppmair et al., arXiv:1608.00995 (2016)
Gesinterte Ge Nanopartikelfilme:
𝜅 < 0.3 W/mK
Reduktion um mehr als zwei
Größenordnungen
Stimmen gut mit Raman-Shift-
Methode überein
PEDOT:PSS:
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Vielen Dank!
Michael Obermaier, Simon Filser, Caroline Gerstberger, Natalie Galfe
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Finanzierung:
Kooperation:
Studenten: