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Gasphasen- und lösungsbasierte Synthese von thermoelektrischen Materialien

Weber, Anna

Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Triethylsilan (Et3SiH) von den untersuchten Single Source Precursoren am besten für die Darstellung von stöchiometrischen Siliziumcarbid-Filmen bei 1000 °C geeignet ist. Die erzeugten Schichten bestehen aus kubischem β-Siliziumcarbid. Sie haben auch einen amorphen Anteil. Die Wachstumsgeschwindigkeit für diese Schichten beträgt 4,2 μm/h und ist höher als die in der Literatur beschriebenen Wachstumsgeschwindigkeiten. Des Weiteren konnten bei 1000 °C kristalline Silizium-Filme mit dem Precursor Silan (SiH4) erzeugt werden. Die Si-Schichten zeigen eine ähnliche Wachstumsgeschwindigkeit wie die SiC-Filme. Durch die Kombination der Verfahren zur Darstellung von SiC- bzw. Si-Filmen wurden Si/SiC-Multilayer hergestellt. Diese Multilayer bestehen aus vier bzw. zehn alternierenden Si- und SiC-Schichten. Die einzelnen Schichten zeigen eine klare Grenzfläche und es konnte gezeigt werden, dass keine Diffusion zwischen den Schichten stattfindet. Die Si-Schichten der Multilayer sind kristallin, wohingegen die SiC-Schichten größtenteils amorph sind. Die Kristallinität dieser Schichten könnte durch nachträgliches Tempern bei 1200 °C verbessert werden. Für eine thermoelektrische Anwendung dieser Multischicht-Systeme ist es notwendig, dass die Dicke der alternierenden Schichten auf ca. 10 nm verringert wird. Außerdem sollte die Anzahl der Schichten erhöht werden, um eine effektive Streuung der Phononen zu gewährleisten. Im zweiten Teil dieser Arbeit konnten verschiedene Syntheserouten für Bismuttellurid-Nanopartikel gezeigt werden. Unter anderem wurde die Thermolyse der Precursoren Tris(dimethylamino)bismutan (Bi(NMe2)3) und Bis(triethylsilyl)tellurid (Te(SiEt3)2) untersucht. Diese Precursoren bilden ab einer Temperatur von 90 °C kristalline Bismuttellurid-Partikel. Je nach Eduktverhältnis können Partikel aus verschiedenen Bismuttellurid-Phasen (Bi2Te3, Bi4Te3, BiTe ) erzeugt werden. So konnten mit einem Precursorverhältnis von 2:3 (Bi/Te) phasenreine, kubische Bi2Te3- Nanopartikel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 40 nm dargestellt werden. Die Darstellung von Bi2Te3-Nanopartikeln ist durch die Thermolysen von Bismuttrichlorid (BiCl3) und Te(SiEt3)2 möglich. Die Partikel sind so klein, dass ihre Form nicht identifiziert werden kann. Zudem wurde gezeigt, dass die Thermolyse von Tetraethyldibismutan (Et4Bi2) mit Diethylditellurid (Et2Te2) kubische Bi2Te-Partikel erzeugt. Die Zugabe von Trioctylphosphintellurid (TOP-Te), um einen 15%-igen Tellurüberschuss zu gewährleisten, führt zu sphärischen Bi2Te-Partikeln und nicht zu einem höheren Telluranteil und einer anderen Bismutphase. Außerdem wurden Thermolysen mit den Precursoren Et4Bi2 und TOP-Te und einem Tellurüberschuss von 50 % durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass die Zusammensetzung der Partikel von der Temperatur abhängig ist. Bei einer Temperatur von 100 °C wurden sphärische Bi2Te3-Partikel hergestellt. Beträgt die Thermolysetemperatur 120 °C, werden BiTe-Partikel erhalten und bei 140 °C werden Bi4Te3-Partikel gebildet. Dieser Anstieg des Bismutanteils mit steigender Temperatur ist auf die zunehmende Zersetzung von Triethylbismut (Et3Bi) zurückzuführen, welches bei der Zersetzung von Et4Bi2 gebildet wird. Die synthetisierten Bismuttellurid-Nanopartikel (Bi2Te3, BiTe, Bi4Te3) sollten hinsichtlich ihrer Morphologie und ihrer thermoelektrischen Eigenschaften genauer untersucht werden. Die kubischen Bi2Te3-Nanopartikel, die durch die Thermolyse von Bi(NMe2)3 und Te(SiEt3)2 gewonnen wurden, könnten aufgrund ihrer geringen Größe gute thermoelektrische Eigenschaften aufweisen. Zur Optimierung der Partikelmorphologie könnten bei den Thermolysen mit Et4Bi2 und Et2Te2 bzw. TOP-Te weitere Einflussfaktoren, wie z.B. capping agents, untersucht werden. Diese Additive sind aufgrund ihrer funktionellen Gruppen in der Lage, die Partikelmorphologie zu beeinflussen und eine formkontrollierte Synthese zu gewährleisten. Allerdings gibt es bei der Partikelsynthese unzählige Variationsmöglichkeiten und Einflussfaktoren, sodass weitere Versuche zu einem besseren Verständnis der ablaufenden Prozesse führen sollten.

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Zitierform:

Weber, Anna: Gasphasen- und lösungsbasierte Synthese von thermoelektrischen Materialien. 2014.

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