Herstellung und Charakterisierung von integrierten mikro-thermoelektrischen Kühlern unter Verwendung von chemischer und physikalischer Gasphasen Abscheidung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zentrales Ziel des Forschungsprojekts war es, optimierte thermoelektrische Schichten, die durch chemische oder physikalische Abscheidungsprozesse gewonnen wurden, in mikrothermoelektrische Kühler (µTECs) zu integrieren, um deren Leistung zu verbessern. Zu diesem Zweck entwickelten wir metallorganische Single-Source- und Dual-Source-Precursoren und untersuchten ihre Eignung für die Abscheidung stöchiometrischer und kristalliner Dünnschichten vom Tetradymit-Typ Sb2Te3, Bi2Te3 bzw. Bi2Se3 bei Abscheidungstemperaturen unter 200 °C. Darüber hinaus wurden PVD-Experimente (Physical Vapor Deposition) bei Raumtemperatur durchgeführt. Die erhaltenen Schichten wurden einer umfassenden Charakterisierung unterzogen, die ihre chemischen, strukturellen und thermoelektrischen Eigenschaften umfasste. Um die thermoelektrische Leistung zu verbessern, wurden Experimente zur Nachglühung durchgeführt, die nach der Herstellung der Bauteile erfolgen konnten. Um die optimalen Glühparameter zu bestimmen, wurden die thermoelektrischen Transporteigenschaften während des Glühvorgangs in-situ untersucht. Sowohl für die p-Typ Sb2Te3- als auch für die n-Typ Bi2Te3-Materialien wurden die optimale Glühtemperatur und -dauer ermittelt, um die besten thermoelektrischen Eigenschaften zu erzielen. Anschließend wurden diese optimierten Filme für die Herstellung von µTECs verwendet, wobei sowohl in-plane als auch out-of-plane Bauelemente zum Einsatz kamen. Die Designs wurden zuvor mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen optimiert, wobei die thermoelektrischen Eigenschaften der p- und n-Materialien berücksichtigt wurden. Eine erste Charakterisierung der µTECs wurde mit Hilfe von Wärmereflexionstechniken durchgeführt und zeigte eine Kühlleistung unter 2 K. Diese Leistung wurde jedoch durch suboptimale Kontakte, die zu einem hohen Kontaktwiderstand führten, sowie durch Oberflächenoxidation der thermoelektrischen Materialien beeinträchtigt. Nichtsdestotrotz zeigt das entwickelte Cross-Plane-Bauteildesign ein erhebliches Potenzial für weitere Fortschritte in der Entwicklung von Mikrobauteilen, da es die mit PVD-Verfahren verbundenen Dickenbeschränkungen überwindet. Dies eröffnet Perspektiven für Hochleistungs-Mikromodule auf der Grundlage von PVD- und CVD-Verfahren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Study on the effects of annealing on thermoelectric thin films and their application in microdevices, KPS Symposium, Daejeon, South Korea (2023).
H. Reith, M. Naumochkin, N. Pulumati, L. Wilkins & K. Nielsch
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Study of annealing effect on RF-sputtered Bi2Te3 thin films with full figure of merit characterization, DPG conference (2021).
G. Park, M. Naumochkin, K. Nielsch & H. Reith
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Study of the Annealing Effects of Sputtered Bi2Te3Thin Films with Full Thermoelectric Figure of Merit Characterization. physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters, 16(4).
Naumochkin, Maksim; Park, Gyu-Hyeon; Nielsch, Kornelius & Reith, Heiko
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Geometric Study of Polymer Embedded Micro Thermoelectric Cooler with Optimized Contact Resistance. Advanced Electronic Materials, 8(7).
Dutt, Aditya S.; Deng, Kangfa; Li, Guodong; Pulumati, Nithin B.; Ramos, David Alberto Lara; Barati, Vida; Garcia, Javier; Perez, Nicolas; Nielsch, Kornelius; Schierning, Gabi & Reith, Heiko
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Micro-thermoelectric devices. Nature Electronics, 5(6), 333-347.
Zhang, Qihao; Deng, Kangfa; Wilkens, Lennart; Reith, Heiko & Nielsch, Kornelius
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Study of the Annealing Effects of Sputtered thermoelectric Thin Films, European conference on thermoelectrics (2022).
N. Maksim, K. Nielsch & H. Reith
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Atomic layer deposition and characterization of Bi1Se1 thin films. Journal of the European Ceramic Society, 43(11), 4808-4813.
He, Shiyang; Bahrami, Amin; Zhang, Xiang; Cichocka, Magdalena Ola; Yang, Jun; Charvot, Jaroslav; Bureš, Filip; Heckel, Alla; Schulz, Stephan & Nielsch, Kornelius
