Holistisches Quantendesign von amorphen thermoelektrischen NbO2 legiert mit Übergangsmetallen

• Antragsteller: Professor Denis Music, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321046633

Obwohl es keine beweglichen mechanischen Teile in thermoelektrischen Bauelementen gibt, führt schlechte mechanische Leistung unter Erwärmungs- und Abkühlungszyklen häufig zum Versagen. Außerdem wird eine erhöhte thermoelektrische Effizienz in amorphen Festkörpern erwartet. Es wurde von dem Antragsteller gezeigt, dass amorphe NbO2-Dünnschichten größere Seebeck-Koeffizienten aufweisen als die entsprechenden kristallinen Materialien. Jedoch sind die Legierungseffekte auf die Transporteigenschaften und die mechanischen Eigenschaften von amorphen NbO2 unbekannt. Durch das Anwenden des holistischen Quantendesigns für amorphes NbO2, wobei nicht nur die wichtigsten Transporteigenschaften, sondern auch die mechanischen Eigenschaften berücksichtigt werden, werden effizientere thermoelektrische Bauelemente erhalten. Dichtefunktionaltheorie-basierte-Molekulardynamik wird angewendet, um den Einfluss der Legierungseffekte auf den Seebeck-Koeffizienten und die elastischen Eigenschaften von amorphen NbO2 zu untersuchen. Alle 3d- und 5d-Übergangsmetalle werden untersucht. Aufgrund des erhöhten Seebeck-Koeffizienten und des Cauchy-Druckes, wobei dieser ein Maß für den spröde-duktil-Übergang ist, wird jeweils ein Element von diesen beiden Übergangsmetallreihen ausgewählt. Diese beiden amorphen Materialsysteme werden durch reaktives kombinatorisches Sputtern synthetisiert. Die quantenmechanischen Vorhersagen werden validiert anhand von Röntgenbeugung, Röntgenphotoelektronenspektroskopie, Seebeck-Koeffizient- und Widerstandsmessungen sowie Nanoindentierungsversuchen dieser Dünnschichten. Da amorphe Festkörper in diesem Projekt erforscht werden, mag ihre Wärmeleitfähigkeit bereits die niedrigste sein. Einstellen der elektrischen Leitfähigkeit dieser amorphen thermoelektrischen Bauelemente ist jedoch immer noch eine Herausforderung. Daher wird ein Multilagenansatz verwendet bei dem das mit Übergangsmetallen legierte amorphe NbO2, welches den erhöhten Seebeck-Koeffizienten aufweist, mit leitfähigen RuO2-Zwischenschichten versehen wird. Durch Einstellen des Multilagenaufbaus werden große Seebeck-Koeffizienten zusammen mit großer elektrischen Leitfähigkeit und geringer Wärmeleitfähigkeit sowie geringer thermischen Ermüdung erreicht, welches damit zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit dieser neuartigen Thermoelektrika führt. Die in diesem Projekt gewonnenen Ergebnisse sind maßgeblich für die Energieerzeugung ohne CO2-Emission.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen