DFG-RSF: Einfluss topologischer Zustände auf die thermoelektrischen Eigenschaften von Weyl-Metallen

• Antragsteller: Professor Dr. Kornelius Nielsch
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 310375391

Thermoelektrische Generatoren wandeln Wärme direkt in elektrische Energie (Strom) und sind somit von großem Interesse für die Anwendung in der industriellen Abwärmenutzung. Jedoch werden thermoelektrischer Generatoren bisher auf Grund der zu geringen Effizienz der Energiewandlung nicht großflächig eingesetzt. Kürzlich wurde durch die Entdeckung einer neuen Materialklasse, den topologischen Isolatoren, ein neuer Freiheitsgrad in die gängigen Strategien zur ZT Steigerung, der Entkopplung des thermischen und elektrischen Transports, gebracht. Auf Grund der hohen Mobilität der Ladungsträger in topologischen Oberflächenzuständen, kann unter bestimmten Bedingungen, der elektrische Transport von der Oberfläche dominiert werden, während der thermische Transport durch den Bulkanteil bestimmt wird. Noch exotischer Eigenschaften haben die neusten Materialien mit nicht trivialer Elektronenstruktur: die sogenannten Weyl und eng miteinander verwandten Dirac Metalle. Weyl Halbleiter haben Oberfächenzustände, deren topologisch nicht triviale Natur sich in der Gestalt der Fermioberfläche abbildet. Diese hat die Form eines offenen Kreisbogens (Fermi arc) an Stelle der geschlossenen Kurve eines regulären zweidimensionalen Metalls. Der neuste Kandidat der Weyl Metalle ist SrSi2. Messungen der thermoelektrischen Transporteigenschaften von SrSi2 Verbindungen zeigen ZT Werte in der Größenordnung 0.4 bei Raumtemperatur, dies entspricht der thermoelektrischen Effektivität von guten thermoelektrischen Materialien im mittleren Temperaturbereich. Die Kombination der besonderen Elektronenstruktur, der vielversprechenden thermoelektrischen Eigenschaften und der Phasenstabilität in einem weiten Temperaturbereich machen SrSi2 zu einem hervorragenden Material, um den Einfluss der topologischen Zustände auf die thermoelektrischen Eigenschaften zu erforschen. Zur Untersuchung des Wyle Metalls SrSi2 müssen neue Synthese und Dotierungsmethoden entwickelt werden. Einkristallines SrSi2 soll u.a. aus der Gasphase und mittels der Bridgman Methode synthetisiert werden. Die Elektronenstruktur wird mittels winkelaufgelöster Photoelektronen-Spektroskopie (ARPES) analysiert. Die Untersuchung dient zum einem zum Nachweis der topologischen Eigenschaften und somit der Zuordnung des SrSi2 zu Klasse der Weyl Metalle, als auch zur Korrelation der Elektronenstruktur sowie der topologischen und thermoelektrischen Eigenschaften. Hierzu werden die Transporteigenschaften der Materialien im Temperaturbereich von 4 bis 1000 K sowie in Magnetfeld bis 9 T gemessen. Aus der theoretischen Analyse der Messdaten soll der Einfluss der topologischen Zustände auf die thermoelektrischen Eigenschaften des Materials bestimmt werden. Ferner soll ein Model erstellt werden, das den Zusammenhang der topologisch nicht trivialen Elektronenstruktur und der thermoelektrischen Effektivität abbildet, mit dem Ziel die Effektivität zu maximieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation
• Mitverantwortlich: Dr. Heiko Reith
• Kooperationspartner: Dr. Alexander Burkov