Chromchalkogenid-basierte Thermoelektrika

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Bensch; Professor Dr. Lorenz Kienle; Dr. Jan Dieter König
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 338007693

Bei vielen Prozessen, wie z.B. in Verbrennungsmotoren, geht ein Teil der erzeugten Energie unweigerlich durch Abwärme verloren. Thermoelektrika, verbaut als thermoelektrische Generatoren, können den entstehenden Temperaturgradienten nutzen und einen Teil der ansonsten verloren gegangenen Energie wieder in elektrische Energie umwandeln. Im Projekt Chromchalkogenid-basierte Thermoelektrika werden binäre (CrxCrS2) und ternäre (MCrS2 (M = Cu, Ag)) Chromchalkogenide als praktisch unerforschte Thermoelektrika untersucht. Neben der relativ guten Zugänglichkeit der Elemente zeichnen sich diese Materialien durch ihre Eigenschaften als hochdotierbare Halbleiter aus. So lässt sich unter Erhalt einer gemittelten Struktur sowohl das anionische als auch das kationische Teilgitter über weite Zusammensetzungsbereiche substituieren. Im Detail soll geprüft werden, wie sich die Substitutionen auf die Realstrukturen und die thermoelektrischen Eigenschaften auswirken, insbesondere auf die elektrische Leitfähigkeit, den Seebeck-Koeffizienten und der thermischen Leitfähigkeit. Im Falle der elektrischen Leitfähigkeit dienen die Substitutionen dem Einstellen der Ladungsträgerkonzentration, während der Seebeck-Koeffizient durch die mit einer Gemischtvalenz zusätzlich eingeführte Spin-Entropie verbessert werden könnte. Die Verringerung der thermischen Leitfähigkeit soll ebenfalls durch Substitutionen und topotaktische Reaktionen und den damit entstehenden spezifischen Defektstrukturen (Punktdefekte, Schichtfehlordnungen, Nanoausscheidungen) realisiert werden. Die chemischen, mikro- und nanostrukturellen Eigenschaften der neuen Thermoelektrika werden durch herausfordernde und teilweise zu entwickelnde transmissionselektronenmikroskopische (TEM) und röntgenographische Experimente (XRD) ermittelt, um so die Korrelation zwischen Synthese, Zusammensetzung, (Mikro-)Struktur und den thermoelektrischen Eigenschaften zu ermitteln. Die Kombination beider methodischen Ansätze erlaubt es, ein vollständiges und quantitatives Modell der komplexen Materialien auf allen relevanten Längenskalen zu ermitteln. Für die thermoelektrische Charakterisierung wird ein neuartiger Messaufbau erstellt, der rasch und zuverlässig die Bestimmung der thermoelektrischen Kenngrößen zahlreicher Proben erlaubt. Besonders aussichtsreiche Materialien werden dann durch ex situ und in situ Analytik bezüglich ihrer Struktur(änderungen) durchs thermische Zyklisieren untersucht und die damit verbundenen Änderungen der thermoelektrischen Eigenschaften korreliert. Abschließend befasst sich das Forschungsprojekt auch mit anwendungstechnisch relevanten Fragen, etwa der Herstellung maßgeschneiderter niederohmiger Kontakte für die Integration von Chromchalkogeniden in thermoelektrische Stromgeneratoren. Dabei ergeben sich ebenso reizvolle Fragen für die Grundlagenforschung, deren Beantwortungen einen Mehrwert für die thermoelektrische Forschung darstellen könnten; etwa im Zusammenhang mit der Langzeitstabilität.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Jürgen Wöllenstein