Thermoelektrische Eigenschaften von SiGeSn-Mikrobauelementen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dan Buca, Ph.D.; Professor Giovanni Capellini, Ph.D., seit 5/2024; Professorin Dr. Inga Fischer
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537127697

Thermoelektrische Materialien haben großes Potential für den Einsatz in „Green IT“-Technologien – sie ermöglichen direkte Umwandlung von Wärme in Elektrizität und damit sowohl die Nutzung von abfallender Abwärme („energy harvesting“) als auch Temperaturregelung. Allerdings sind Materialien, die sich aktuell im Einsatz befinden, entweder ungeeignet für die On-Chip Integration oder ihre Leistungsfähigkeit bei Raumtemperatur ist niedrig. Hier setzt unser Vorhaben an, unser Ziel ist die Nutzung von Zinn (Sn) basierten Legierungen mit Si und Ge für thermoelektrische Bauelemente, da diese Materialien nicht nur CMOS integrierbar sondern auch potenziell leistungsfähiger sind. SiGeSn Legierungen sind aktuell von großem Interesse für den Einsatz in Lasern, Methoden für das Wachstum defektarmer Schichten wurden und werden daher intensiv erforscht. Der Einsatz in thermoelektrischen Bauelementen findet allerdings bisher wenig Beachtung und beschränkt sich auf amorphe und polykristalline Materialien. Aktuelle Forschungsergebnisse der Antragsteller zeigen aber, dass die thermische Leitfähigkeit von defektarmen epitaktisch gewachsenen Schichten von SiGeSn ähnlich niedrig wie im amorphen Material sein kann. Dies ist eine Voraussetzung für hohe thermoelektrische Effizienz und ermöglicht die Integration mit optoelektronische CMOS Bauelementen. Unser Ziel ist die Untersuchung von SiGeSn Legierungen für den Einsatz in thermoelektrischen Bauelementen. Ausgehend von State-of-the-Art Chemical-Vapour-Deposition (CVD) Wachstumsmethoden planen wir eine umfassende Charakterisierung der thermoelektrischen Eigenschaften der Legierungen in Abhängigkeit von Dotierung und Materialzusammensetzung. Bei der Optimierung von SiGeSn für thermoelektrische Anwendungen ist eine wesentliche Herausforderung, die durch Phononen induzierte thermische Leitfähigkeit zu reduzieren. Wir planen, hier unterschiedliche Strategien zu verfolgen, die in der jeweiligen Expertise der Antragsteller:innen begründet sind. Im Einzelnen sind das die Untersuchung des Einflusses der Materialzusammensetzung, des Einflusses von Nanostrukturierung (beispielsweise Reduzierung auf Transport in einer Dimension) und die Analyse von Phononentransport in Multischicht-Systemen. Ziel ist eine detaillierte Bewertung der verschiedenen Materialparameter, die die thermoelektrischen Eigenschaften in einfachen Bauteilen beeinflussen. Neben der Untersuchung der technologischen Schritte ist es unser Ziel, auch experimentelle Techniken für die Untersuchung von Wärmetransport zu entwickeln. Insbesondere planen wir über die üblichen elektrischen und optischen Messmethoden hinaus Methoden zu entwickeln, die uns eine nanoskalige Ortsauflösung ermöglichen („Scanning Probe Microscopy“). Die zu erwartenden Projektergebnisse werden damit zum Aufbau von Wissen und Expertise in einem Feld dienen, das eine tragende Rolle in der Entwicklung von umweltfreundlichen Materialien als Basis für energieeffiziente Bauelemente und Schaltungen spielt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Davide Spirito, Ph.D., bis 5/2024