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Beiträge zur Aufklärung des Einbaus von Titan in PbTe und (Pb,Ge)Te in Bezug auf eine Optimierung der thermoelektrischen Gütezahl ZT

Contributions to clarify the incorporation of Ti in PbTe and (Pb,Ge)Te regarding optimization of the thermoelectric figure of merit ZT
 
: König, Jan D.

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Volltext (PDF; )

Gießen, 2013, X, 180 S.
Gießen, Univ., Diss., 2012
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-92199
Deutsch
Dissertation, Elektronische Publikation
Fraunhofer IPM ()
Bleitellurid; PbTe; Thermoelektrik; Molekularstrahlepitaxie; tiefe Störstelle; Titan-Dotierung

Abstract
Energieeffizienz ist eine der wesentlichen Herausforderungen an die Gesellschaft und Industrie des 21. Jahrhunderts. Um die bisher vergeudete Abwärme wieder nutzbar machen zu können, bietet sich die direkte Umwandlung von thermischer in elektrische Energie mittels Thermoelektrik an. IV-VI-Verbindungen sind die wichtigsten kommerziellen thermoelektrischen Materialien für Anwendungen im Mitteltemperaturbereich (200 °C - 500 °C). Aus dieser Materialfamilie eignet sich besonders dotiertes PbTe und (Pb,Ge)Te. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Beantwortung materialwissenschaftlicher Fragestellungen, da über das Materialsystem (Pb,Ge,Ti)Te als Massivmaterial nur lückenhaft und als Dünnschichtsystem keine Informationen vorliegen. Bei bisherigen Arbeiten zur Ti-Dotierung von PbTe besteht die H offnung, dass durch eine Ti-Dotierung von PbTe eine Steigerung des Powerfaktors und damit eine Steigerung der thermoelektrischen Gütezahl durch quasilokale Resonanz-Zustände erzielt werden kann. In dieser Arbeit wurde daher die Dotierung von PbTe und Pb1-xGexTe (x<0,05) mit Titan untersucht, indem erstmalig dünne Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt wurden. Es wurde auch der Einfluss des Einbaus von Titan in in das PbTe-Kristallgitter von metallreichen und -armen Schichten mittels Diffusionsexperimenten untersucht. Zudem wurde das Zusammenspiel von optimierter Dotierung auf Übergitterstrukturen analysiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ein Titan-Angebot einen bisher nicht gekannten starken Einfluss auf das epitaktische Wachstum von PbTe auf BaF2 hat. Es konnte gezeigt werden, dass Titan in metallreichem und -armen Pb1-xGexTe (x<0,05) als Donator fungiert und das Phänomen des Fermi-Level-Pinnings auftritt. Daraus konnte auf ein tiefes Störstellenniveau des Titans ca. 52 meV oberhalb des Leitungsbandminimas geschlossen werden. Eine Steigerung der thermoelektrischen Gütezahl konnte jedoch nicht beobachtet werden. Diffusionsuntersuchungen zeigen eine einfache chemische Umsetzung von Ti + xPbTe zu TiTex + xPb, was bedeutet, dass Titan ein sehr guter Tellur-Getter ist. Die Untersuchungen der Kombination einer Ti-Dotierung mit Übergitterstrukturen erbrachten die Erkenntnis, dass für eine thermoelektrische Optimierung sowohl die Ladungsträgerkonzentration als auch die Nanostrukturierung aneinander angepasst werden müssen.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-240238.html