Karthikeyan Loganathan Manga

Arbeitspaket 1: Thermoelektrische Bauteile auf Basis von organischen Materialien

Derzeit besitzen organische Materialien eine sehr niedrige intrinsische Leitfähigkeit, welche die Steigerung des Wirkungsgrads der TE-Geräte bei der Energiewandlung einschränkt. Im vorliegenden Antrag soll zur Herstellung von qualitativ hochwertigen, großflächigen, organischen Filmen eine neue Technologie zum Aufwachsen von kristallinen, organischen Dünnschichten und Heteroübergangs-schichten zum Einsatz kommen, die sogenannte schwache Epitaxie . Hiermit lassen sich organische Materialien mit einer hohen Ladungsträgerbeweglichkeit wie Rubren und Phthalocyanin abscheiden. Durch Kombinieren der Charge-Transfer-Effekte  zwischen speziell designten Materialien kann ein elektrisch hochleitfähiger Kanal an der Grenzfläche dieser Schichtsysteme gebildet werden, unter gleichzeitiger Beibehaltung einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit des Gesamtsystems. Dies kann die Nachteile der bisher existierenden organischen bzw. anorganischen Thermoelektrika überwinden. Zuerst soll im Labormaßstab ungefähr ein Wert von 0,1 für die Kennzahl ZT erreicht werden, vergleichbar mit demjenigen von konventionellen organischen Materialien. Im späteren Verlauf der Förderphase sollen TE-Geräte mit ZT = 0,1 im größeren Maßstab hergestellt werden.

Arbeitspaket 2: Thermoelektrische Bauteile in Hybridbauweise (organisch/anorganisch)

Hybride, d. h. gemischt organisch/anorganisch aufgebaute, nanostrukturierte Dünnschichtsysteme, wie z. B. Übergitter, ermöglichen das Übertreffen  der Leistungsfähigkeit der herkömmlichen TE-Geräte auf Basis von ausschließlich organischen oder anorganischen Komponenten. Die Verwirklichung dieser hybriden Nanostrukturen gestaltet sich jedoch als äußerst schwierig, da herstellungsbedingt Materialien mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften kombiniert werden müssen. Mittels einer speziellen Herstellungsmethode, der sog. Aufrolltechnologie , lassen sich diese technischen Hürden nehmen und hybride Übergitter herstellen. Dazu wird zunächst ein herkömmliches TE-Material wie z. B. Bi2Te3 als Dünnschicht auf einer Opferschicht aufgebracht, anschließend ein ultradünner, organischer Film. Nach dem Entfernen der Opferschicht durch Unterätzung rollen sich die Nanomembranen auf und bilden ein Mikroröhrchen mit einem Hohlraum im Innern. Dieser lässt sich mit einem Stempel durch Druckanwendung entfernen, sodass ein Mehrfach-Schichtsystem mit der doppelten Schichtdicke entsteht (siehe Abbildung 1 links auf der Titelseite). Diese Struktur entspricht einem hybriden Übergitter. Der periodische Aufbau des Übergitters führt einerseits zu einer Verringerung der thermischen Leitfähigkeit, da die Phononen an den Grenzflächen wiederholt gestreut werden. Andererseits erhöht sich aufgrund des Tunneleffekts zwischen verschiedenen Perioden die elektrische Leitfähigkeit. Daher können die vorgeschlagenen TE-Geräte ein hohes ZT von 1,0 oder mehr erreichen. Dies stellt eine neuartige Herstellungsmethode im Bereich der Thermoelektrik dar.