Materialien mit negativer thermischer Ausdehnung unter Druck: ein neuer Weg in der Hochleistungsthermoelektrik

• Antragsteller: Professor Denis Music, Ph.D., seit 3/2018
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 313705203

Thermoelektrika sind eine wichtige Nische in der weltweit wachsenden Landschaft der Energienachfrage, da sie Wärme - insbesondere Abfallwärme - in Elektrizität umwandeln können. In den vergangenen Jahrzehnten wurde die Suche nach hocheffizienten Thermoelektrika durch das Phononenglas-Elektronenkristall-Konzept dominiert. Obwohl mit diesem Konzept bemerkenswerte Fortschritte erzielt wurden, sind Thermoelektrika auf Grund ihres niedrigen Wirkungsgrades immer noch nicht konkurrenzfähig zu den traditionellen Methoden der Elektrizitätsgewinnung, was hauptsächlich auf die starke Kopplung zwischen Elektronen- und Phononentransport zurückzuführen ist. Dieser Antrag fokussiert sich auf die Erforschung eines neuen Konzeptes, bei dem Elektronen- und Phononentransport entkoppelt werden können im Zusammenspiel von Materialien mit negativer thermischer Ausdehnung und Druck. Materialien mit negativer thermischer Ausdehnung besitzen von Natur aus eine große Anzahl niederfrequenter akustische Phonen mit, verglichen mit weniger flexiblen Materialien, starker phononischer Anharmonizität, was zu einer geringen, für Thermoelektrika vorteilhaften, thermischen Leitfähigkeit führt. Jedoch wurden diese Materialien bis jetzt auf Grund geringer thermoelektrischer Energie bzw. sehr kleiner Temperaturbereiche, in denen die negative thermische Ausdehnung erfolgt, nicht intensiv erforscht. Das Gesamtziel des Projektes ist der Fortschritt im fundamentalen Verständnis der elektrischen und phononischen Transporteigenschaften einiger repräsentativer Materialien mit negativer thermischer Ausdehnung unter mechanischem Druck und sorgfältiger Dotierung und Auflegierung als neue Strategie für Hochleistungsthermoelektrika. Auf First-Principle- und Boltzmann-Transportgleichungen basierende anharmonische Kristalldynamikmodelle werden als Ansätze zum Erreichen des Projektzieles eingesetzt werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden sehr wahrscheinlich einen großen Fortschritt im Verständnis und der Optimierung von Thermoelektrika mit negativer thermischer Ausdehnung zeigen; mit dem Potenzial einen klaren Beitrag zum Energiebedarf in der Zukunft zu leisten. Das neue an diesem Projekt ist die Untersuchung der Folgen der Anwendung mechanischen Druckes auf diese Materialien. Dadurch reduziert sich nicht nur die Wärmeleitfähigkeit des Gitters durch die Erhöhung der phononischen Anharmonizität, sondern erhöht signifikant die thermoelektrische Energie und verschiebt den Temperaturbereich des Auftretens negativer thermischer Ausdehnung nach oben. Dieses wiederum führt zur Entkopplung von Elektronen- und Phononentransport in den Thermoelektrika und resultiert in einer signifikanten Erhöhung der thermoelektrischen Leistung. Derartige gegensätzliche Effekte sind bis jetzt nicht in traditionellen Methoden der Optimierung thermoelektrischer Materialien, bei denen Elektronen- und Phononentransport immer gekoppelt im Einklang agieren, realisiert worden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Yang Han; Dr.-Ing. Tao Ouyang
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Ming Hu, bis 2/2018