Legierung Hybridmaterialien als günstige Thermoelektrika

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Ein internationales Team um Fabian Garmroudi hat thermoelektrische Materialien entwickelt, die herkömmlichen, teuren und instabilen Materialien Konkurrenz machen könnten.

Thermoelektrische Materialien ermöglichen die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie. Das macht sie besonders attraktiv für das aufkommende „Internet der Dinge“, etwa zur autonomen Energieversorgung von Mikrosensoren und anderen winzigen elektronischen Bauteilen. Um die Materialien noch effizienter zu gestalten, müssen gleichzeitig die Gitterschwingungen eingedämmt und die Beweglichkeit der Elektronen erhöht werden – eine Hürde, an der die Forschung bislang oft scheiterte.

Nun gelang es einem internationalen Team um Fabian Garmroudi mit einer neuen Methode Hybridmaterialien zu entwickeln, welche beide Ziele – verminderte Kohärenz der Gitterschwingungen bei mehr Beweglichkeit der Ladungsträger – erfüllen. Der Schlüssel: eine Mischung zweier Materialien mit grundlegend unterschiedlichen mechanischen, aber ähnlichen elektronischen Eigenschaften. Publiziert wurde die Arbeit kürzlich im renommierten Fachjournal Nature Communications.

Neue Eigenschaften durch neue Materialkombination

Gute thermoelektrische Materialien sind solche, die einerseits gut elektrisch leiten, andererseits aber Wärme möglichst schlecht transportieren – ein scheinbarer Widerspruch, denn gute elektrische Leiter sind in der Regel auch gute Wärmeleiter.

„Wärme wird in fester Materie sowohl durch elektrisch leitfähige Ladungsträger als auch durch Schwingungen der Atome im Kristallgitter übertragen. In thermoelektrischen Materialien versuchen wir vor allem, den Wärmetransport durch die Gitterschwingungen zu unterdrücken, da sie nicht zur Energieumwandlung beitragen“, erklärt Erstautor Fabian Garmroudi, der an der TU Wien promovierte und nun als Director`s Postdoctoral Fellow am Los Alamos National Laboratory (USA) arbeitet. In den letzten Jahrzehnten hat die Materialforschung raffinierte Methoden entwickelt, um thermoelektrische Materialien mit extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit zu entwerfen.

„Unterstützt durch den Lions-Förderpreis konnte ich am National Institute for Materials Science in Japan neue Hybridmaterialien entwickeln, die außergewöhnliche thermoelektrische Eigenschaften zeigen“, erinnert sich Garmroudi an seinen Forschungsaufenthalt in Tsukuba (Japan), den er im Rahmen seiner Arbeit an der TU Wien absolviert hat. Konkret wurde Pulver einer Legierung aus Eisen, Vanadium, Tantal und Aluminium (Fe2V0.95Ta0.1Al0.95) mit einem Pulver aus Wismut und Antimon (Bi0.9Sb0.1) gemischt und unter hohem Druck und hoher Temperatur zu einem kompakten Material verpresst. Aufgrund ihrer unterschiedlichen chemischen und mechanischen Eigenschaften vermischen sich die beiden Komponenten jedoch nicht auf atomarer Ebene. Stattdessen lagert sich das BiSb-Material bevorzugt an den mikrometergroßen Grenzflächen zwischen den Kristallen der FeVTaAl-Legierung ab.

Wärme- und Ladungstransport werden entkoppelt

Die Gitterstrukturen der beiden Materialien, und damit auch ihre quantenmechanisch erlaubten Gitterschwingungen, sind so verschieden, dass sich Wärmeschwingungen nicht einfach von einem Kristall in den anderen übertragen können. Der Wärmetransport wird an den Grenzflächen daher stark gehemmt. Gleichzeitig bleibt die Bewegung der Ladungsträger aufgrund der ähnlichen elektronischen Struktur ungehindert und wird entlang der Grenzflächen sogar deutlich beschleunigt. Der Grund: Das BiSb-Material bildet dort eine sogenannte topologische Isolator-Phase – eine besondere Klasse von Quantenmaterialien, die im Inneren isolierend sind, aber an der Oberfläche nahezu verlustfreien Ladungstransport ermöglichen.

Durch diese gezielte Entkopplung von Wärme- und Ladungstransport gelang es dem Team, die Effizienz des Materials um mehr als 100 % zu steigern. „Damit kommen wir unserem Ziel, ein thermoelektrisches Material zu entwickeln, das mit kommerziell erhältlichen Verbindungen auf Basis von Wismuttellurid mithalten kann, einen großen Schritt näher“, so Garmroudi. Letzteres wurde bereits in den 1950er Jahren entwickelt und gilt bis heute als Goldstandard der Thermoelektrika. Der große Vorteil der neuen Hybridmaterialien: Sie sind deutlich stabiler und günstiger.

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