Thermoelektrische Eigenschaften dünner Schichten und Übergitterstrukturen von IV-VI- und V-VI-Verbundhalbleitern

Abstract

Als ein vielversprechendes Konzept zur Erhöhung der thermoelektrischen Effizienz wird seit Anfang der 90er Jahre die Nutzung niederdimensionaler Systeme angesehen. Aus theoretischen Arbeiten von Hicks und Dresselhaus folgt, dass in ein- und zweidimensionalen Systemen eine Erhöhung der thermoelektrischen Effizienz möglich ist, die einen Durchbruch für die Anwendung thermoelektrischer Wandler zur Folge haben könnte. Die Realisierung solcher niederdimensionaler Systeme ist in geeigneten Mehrlagenstrukturen und durch Verwendung von Halbleiterverbindungen mit unterschiedlicher Energiebandlücke möglich. Ziel des Verbundprojektes Nitherma war es Mehrfachschichtsysteme mit 2-dimensionalem Transportverhalten aus thermoelektrischen Materialien (Pb1-xSrxTe, Bi2(SexTe1-x)3) herzustellen und auf die erwartete hohe thermoelektrische Effizienz zu untersuchen. Diese wurde messtechnischrndurch die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit, des Seebeck-Koeffizienten und der Wärmeleitfähigkeit parallel zu den Schichtebenen (in-plane-Transporteigenschaft) ermittelt. Ziel dieser Arbeit war einerseits die Verbesserung der Präparations- und Messtechnik bei der Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit von Schichten und Schichtsystemen sowie die Demonstration der Reproduzierbarkeit, andererseits die Interpretation der an niederdimensionalen Strukturen ermittelten Transportmessungen. Um den Einfluß der Niederdimensionalität auf die Wärmeleitfähigkeit zu ermitteln, wurden umfangreiche Messungen an unterschiedlich dimensionierten Übergitter- und Multi-Quantum-Well-Strukturen (MQW-Strukturen) durchgeführt. Die Verifizierung der von den Projektpartnern durchgeführten Transportmessungen wurde durch die Messung des Seebeck-Koeffizienten unterstützt.Neben der Charakterisierung durch Transportmessungen erfolgte die Bestimmung der thermoelektrischen Effizienz.

The basic material property governing the efficiency of thermoelectric applications is the thermoelectric figure of merit Z = S*S*σ/k, where S is the Seebeck-coefficient, σ is the electrical conductivity and k the thermal conductivity. A promising concept of increasing Z by one and two dimensional quantum well superlattices (QW-SL) was introduced in the early 1990s in terms of theoretical predictions. The realization of such low dimensional systems is done by use of semiconductor compounds with different energy gaps. The ambition of the Nitherma project was to investigate the thermoelectric properties of superlattices and Multi-Quantum-Well-structures (MQW) made of Pb1-xSrxTe and Bi2(SexTe1-x)3, respectively. Therefore SL- and MQW-structures of this materials were grown and Z was determined by measuring of S, σ and k parallel to the layer planes. rnAim of this thesis is the interpretation of the transport measurements (S, σ, k) of low dimensional structures and the improvement of preparation and measurement techniques. The influence of low dimensionality on the thermal conductivity in SL- and MQW-structures was investigated by measurements on structures with different layer thicknesses. In addition, measurements of the Seebeck-coefficient were performed, also to verify the results of the participating groups.