Si- und Si Ge-Dünnfilme für thermoelektrische Anwendungen

Technologien zur umweltschonenden Energienutzung und zur Verminderung der CO2-Emission nehmen aktuell eine sehr hohe Bedeutung ein. Die Thermoelektrik kann mit der direkten Umwandlung von Wärme in Strom hierzu einen Beitrag leisten.Ziel des Verbundvorhabens ist die Verbesserung des Wirkungsgrads von thermoelektrischen Dünnschichtbauelementen auf Silizium- und Germaniumbasis über eine Nanostrukturierung. Hinsichtlich der Verwertung werden mittelfristig Anwendungen (Sensorik, Mikrokühlung, thermoelektrischer Generator) im Bereich von Raumtemperatur bis < 300 °C gesehen. Im Rahmen des Verbundprojektes soll gezeigt werden, dass auf der Basis von Silizium und Silizium-Germanium hocheffektive thermoelektrische Bauelemente möglich sind, wenn moderne Nanostrukturierungsverfahren eingesetzt werden. Die Grundlagen dafür bilden theoretische Konzepte und erste experimentelle Ergebnisse, in denen eine Verbesserung des Wirkungsgrads durch die Einstellung einer nanokristallinen Struktur bestätigt wurde. Die Herausforderung für die Forschung im Materialsystem Silizium-Germanium besteht darin, sowohl die elektrische als auch die Wärmeleitfähigkeit gezielt und mehr oder weniger unabhängig voneinander einstellen zu können. Üblicherweise sind diese Eigenschaften leider aneinander gekoppelt (hohe elektrische Leitfähigkeit bedeutet auch hohe Wärmeleitfähigkeit) und beeinflussen sich aus thermoelektrischer Sicht ungünstig. Mit Hilfe von einem physikalischen Materialdesign unter Verwendung von nanostrukturierten Materialkombinationen wie Supergitter oder Nanosäulen aus Silizium und Germanium mit gezieltem Bandstrukturdesign bzw. dem Einbau von Versetzungsnetzwerken als Phononenstreuer zur Erhöhung des thermischen Widerstands soll diese Abhängigkeit umgangen oder zumindest gemildert werden. Als Ergebnis des Verbundvorhabens sollen konkrete Designvorschläge für hocheffiziente, auf Siliziumtechnologie basierende thermoelektrische Bauelemente abgeleitet werden, die zunächst für den Einsatz nahe Raumtemperatur, letztlich aber auch für Hochtemperaturanwendungen zu evaluieren sind.