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Projekt
Selten-Erd Nitrid Verbindungshalbleiter und -Heterostrukturen für integrierte Thermoelektrika
Antragsteller
Dr. Van Duc Dinh, Ph.D.; Professor Dr. Gregor Koblmüller; Privatdozent Dr. Markus R. Wagner
Fachliche Zuordnung
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Förderung
Förderung seit 2025
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563156864
Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung von neuen Selten-Erd/Übergangsmetall (TM)-Nitriden, und deren Mischformen mit Gruppe-IIIa-Nitriden, als vielversprechende Klasse von Hochtemperatur-Thermoelektrika für künftige integrierte Nitrid-Bauelement Technologien. Basierend auf der Bandbreite an Vorarbeiten der Antragsteller, sowohl im Wachstum von TM-Nitrid Dünnschichten als auch in der thermoelektrischen Transport Charakterisierung, soll der Fokus dieses Projekts auf die Untersuchung von TM-Nitriden mit sehr geringer Bandlücke abzielen (ScN, CrN, und Mischallotrope mit isoelektronischen Gruppe-IIIa Elementen), zumal diese Kandidatmaterialien exzellente Eigenschaften für Hochtemperatur-Thermoelektrika aufweisen. Konkret sollen Phononenglass-Elektronenkristall ähnliche Verbindungen herstellt werden, deren Kristallgitter gezielt über Unordnungsprinzipien, Legierungsbildung, und Heterostrukturierung mittels ultra-hochreinen Molekularstrahlepitaxie (MBE) Methoden modifiziert werden, um die relevanten thermoelektrischen Parameter, elektrische und thermische Leitfähigkeit, sowie thermoelektrische Leistung über weite Temperaturbereiche zu steuern. Dabei werden drei verschiedene Ansätze verfolgt, die in logischer Abfolge aufeinander aufbauen, und somit komplexe TM-Nitrid Thermoelektrika mit kontinuierlich optimierter Performanz ermöglichen: (i) Die Untersuchung von binären epitaktischen ScN und CrN Dünnfilmen und die Erzeugung von gezielter Gitterunordnung (Punktdefekte, Vakanzen, substitutionelle Dotierung). (ii) Die Entwicklung von Mischformen / Legierungen von TM-/Gruppe-IIIa Nitriden, sowohl innerhalb also auch über dem spinodalen Zersetzungslimit. Die damit einhergehende Phasenzersetzung induziert dabei auch Nanokomposit-Strukturen, die es erlauben die thermoelektrischen Eigenschaften über das Legierungs-limit hinaus zu justieren. (iii) Die Ausnutzung von Quanteneffekten und Energiefilter Konzepten in 2D-Quanten Well (Übergitter) Heterostrukturen, um gleichzeitig die Thermoleistung zu erhöhen und die thermische Leitfähigkeit durch die Phononenstreuung an wohl definierten Grenzflächen zu minimieren. Dieses Projekt trifft somit den Kern dieser SPP Initiative, zumal unsere Bestrebungen nicht nur neue Funktionalitäten dieser emergenten Klasse von Nitrid-Halbleitern eröffnen, sondern in Zukunft auch monolithisch integrierte Konzepte im aktiven Wärmelast-Management und Energieumwandlung von Nitrid-basierten Bauelementen ermöglichen, welche in der zweiten Phase (Folgeprojekt) adressiert werden.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
Internationaler Bezug
China, Finnland, USA
Mitverantwortliche
Dr. Christian Carbogno; Professor Dr. Martin Feneberg; Professor Dr. Michael Lehmann; Professor Dr. Christian Thomsen
Kooperationspartner
Lucas Lindsay, Ph.D.; Privatdozent Dr. Ilja Makkonen; Professor Bo Sun, Ph.D.
