Erforschung von hochwirksamen, RuO2-basierten, thermoelektrischen Dünnschichten mittels Quantendesignverfahren

• Antragsteller: Professor Jochen M. Schneider, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238119584

Dank seiner einzigartigen Eigenschaften besitzt RuO2 (Rutil) ein großes Potenzial für thermoelektrische Anwendungen. Das Ziel dieses Projektes ist es, den Zusammenhang zwischen chemischer Zusammensetzung, Struktur und Transporteigenschaften von RuO2 und RuO2 legiert mit Nb, Pd und einem Lanthanoid, zu erforschen. Mittels ab initio-Berechnungen werden wir den Effekt der Legierung mit verschiedenen Lanthanoiden auf die Stabilität, den Seebeck-Koeffizienten und die elektrische Leitfähigkeit von RuO2 untersuchen. Auf Grundlage dieser Quantendesignergebnisse werden wir ein Lanthanoid aussuchen und schlüssig diesen Designvorschlag experimentell untersuchen. Unsere experimentelle Strategie beruht zum einen auf der sogenannten Dünnschicht-Kombinatorik, die es uns erlaubt, große Variationen in der chemischen Zusammensetzung innerhalb einer Probe herzustellen und somit Zusammenhänge zwischen der chemischen Zusammensetzung, Struktur, Morphologie und des Bindungszustands aufzuzeigen. Zum anderen werden wir homogene Dünnschichten herstellen, um den Seebeck-Koeffizienten und die thermische sowie elektrische Leitfähigkeit zu ermitteln. RuO2-Nanostäbchen werden wir mittels reaktiven Sputterns synthetisieren und den Effekt von Legierungselementen auf die Morphologie sowie die Transporteigenschaften erforschen. Weiterhin werden wir ab initio-Molekulardynamiksimulationen und eine Plasmaanalyse von Ru-O2-Ar-Plasmen durchführen, um die atomaren Mechanismen zu identifizieren. Zwei Strategien zur Erhöhung der thermoelektrischen Effizienz von RuO2-basierten Dünnschichten werden somit verfolgt: (i) -quantum confinement- mittels Legieren und (ii) erhöhte Streuung von Phononen mittels Nanostrukturierung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Seebeck-Sonde
• Gerätegruppe: 6450 Meßbrücken und Kompensatoren, Widerstandsmeßgeräte