Synthesis, theoretical investigation and properties of nanocomposite thermoelectric materials
Final Report Abstract
Zum Projekt "Synthesis, theoretical investigation and properties of nanocomposite themoelectric materials" war geplant, verschiedene Chalkogen-basierte Materialien zu synthetisieren und systematisch zu untersuchen. Hierzu wurde u.a. das System (GeTe)1-X(AgBite2)X (x= 3%, 10%, 20 %) synthetisiert. Die Ausgangsmaterialien wurden eingewogen und anschließend in evakuierten Quarzampullen bei 670 °C erhitzt. Die Schmelzkörper wurden gemörsert und das so entstandene Pulver via Röntgenbeugung analysiert. Hierbei zeigten die Proben teilweise ein Verhalten, das nicht der Vegard‘schen Regel entsprach. Dies weist darauf hin, dass sich keine homogenen Mischkristalle, sondern möglicherweise Feststoffe mit Nanoausscheidungen gebildet haben. Um diese Hypothese zu prüfen wurden einige Proben im Detail mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Da auch ein Einfluss des Gefüges vermutet wurde, musste die Vorbereitung der Proben optimiert werden und es wurden neben dem konventionellen Transfer einer Suspension auf ein TEM-Netzchen auch Versuche einer Querschnittspräparation unter Zuhilfenahme unterschiedlicher Einbettmittel gestartet. Hierbei wird das zu untersuchende Pulver in einem Polymer mit optimalen mechanischen Eigenschaften eingebettet und anschließend mittels eines Ultramikrotoms in dünne, elektronentransparente Schichten zerteilt. Die TEM-Untersuchungen des Materials zeigten deutlich neben der Bildung einer kubischen Phase (GeTe) auch die Bildung einer Phase mit schichtartigem Aufbau, welche wir (GeTe)x(Bi2Te3)1-x zuordnen konnten. Durch die Mischung von GeTe mit Bi2Te3 (und dem damit verbundenen isomorphen Austausch von Ge- und Bi-Atomen) werden sogenannte "structural vacancies" erzeugt, die sich bei erhöhten Temperaturen ausordnen und bei Einjustierung definierter Zonenachsen einen charakteristischen Linienkontrast im TEM geben. Diese Ergebnisse decken sich mit EDX-Messungen, die einen Überschuss an Bi-Atomen im Vergleich zu Ag-Atomen zeigen. Diese Art von Nanostrukturierung ist, nicht primär erwünscht, da sie mit einer Verringerung des Seebeck-Koeffizienten einhergeht was sich auf die thermoelektrische Effizienz negativ auswirkt- trotz einer Verringerung der thermischen Leitfähigkeit infolge der Nanostrukturierung. In sich anschließenden Experimenten wollten wir den Einfluss von Nanostrukturen auf die thermoelektrische Leistungsfähigkeit für Proben des Systems Cu-Cr-S analysieren, zunächst insbesondere Proben der Bruttozusammensetzung CuCrS2. CuCrS2 ist ein potentiell vielversprechendes, relativ umweltfreundliches Thermoelektrikum aus nicht-kritischen (d.h. leicht verfügbaren) Elementen. Auch hier wurde das Material über eine Hochtemperatur-Ampullen-Synthese hergestellt und charakterisiert. Zusätzlich wurde der Kupfergehalt im Rahmen einer Kooperation mit der Anorganischen Chemie in Kiel (Prof. Bensch) durch einen Deinterkalations-Prozess verringert. Auch hier galt es, eine geeignete TEM-Probenpräparationsmethode zu identifizieren und für das gegebene Materialsystem zu optimieren. Neben dem Auftropfen von Suspensionen wurden auch Gefügeuntersuchungen an gesinterten Proben durchgeführt. Hierzu wurden drei verschiedene Methoden erprobt: Ultramikrotomschnitte, Querschnittspräparation mittels Focussed Ion Beam (FIB)-Technik und die konventionelle Präparation durch Kombination von mechanischem Dünnen und Dünnen mit einem Ar-Ionenstrahl (sog. Precision Ion Polishing System). Die mechanische Eigenschaften des sehr spröden Materials stellten dabei eine ernsthafte Herausforderung dar: Während die Mikrotomschnitte nur vereinzelte Körner anstelle eines vollen Materialquerschnitts enthielten, zeigte die FIB-präparierte Probe einen hohen amorphen Anteil und unerwünschte Implantation von Ga-Ionen. Konventionelle Präparation ergab dagegen vielversprechende Ergebnisse, so dass es uns nun möglich ist, sowohl die Mikro- als auch Nanostruktur zu analysieren.
Publications
- Thermoelectric efficiency of (1 − x)(GeTe) x(Bi 2 Se 0.2 Te 2.8 ) and implementation into highly performing thermoelectric power generators, Dalton Trans. 44 (2015) 2835–2843
J. Koenig, M. Winkler, T. Dankwort, A.-L. Hansen, H.-F. Pernau, V. Duppel, M. Jaegle, K. Bartholomé, L. Kienle, W. Bensch
(See online at https://doi.org/10.1039/c4dt03425b)
